Bilder aus der Forschung
Simulationen, mikroskopische Aufnahmen, künstlerische Interpretationen von Forschungsergebnissen, Fotos von Geräten und mehr - bei unserer Forschung entstehen oftmals faszinierende Bilder, von denen wir hier eine Auswahl zeigen. Sie spiegeln die Vielfalt der Forschungsthemen und Untersuchungsmethoden am PGI eindrucksvoll wider.
Ein europäischer Quantencomputer entsteht in Jülich
Im Rahmen des EU-Quanten-Flaggschiff-Projektes „OpenSuperQ“ soll auf unserem Campus ein europäischer Quantencomputer mit 50 bis 100 supraleitenden Qubits entwickelt und betrieben werden. Wissenschaftler aus der ganzen Welt werden freien Zugang dazu haben.
Weitere Informationen zum Projekt "OpenSuperQ"
Ein europäischer Quantencomputer entsteht in Jülich
Quantumcomputing
In heutigen Computern werden Informationen als Bits verarbeitet. Quantencomputer sollen mit Qubits (Quantum Bits) arbeiten und Rechnungen durchführen können, mit denen heutige Computer überfordert sind.Theoretische Physiker am Peter Grünberg Institut suchen nach Wegen zur praktischen Realisierung einer Quanteninformationsverarbeitung. Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus einem zweidimensionalen integrierten Schaltkreis-Bauteil für fehlertolerantes Quantencomputing. Die Qubits sind in der Darstellung grün eingefärbt..
IFF-Ferienschule 2020 "Quantum Technology":
www.iff-springschool.de
Forschung an den Institutsbereichen:
Innen Isolator, außen Leiter
Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien mit großem Potenzial für Anwendungen in der Informationstechnologie. Im Inneren leiten sie keinen Strom, aber auf ihren Oberflächen können elektrische Ströme fließen, mit geringerem spezifischen Widerstand und geringerer Wärmeabgabe als bei herkömmlichen Materialien. Topologische Isolatoren sind daher vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung schnellerer und sparsamerer Computer und könnten so die Materialklasse der Wahl für eine neue "grüne" Informationstechnologie sein. Mit modernen Methoden der theoretischen Physik, in denen die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen der Materialien quantenmechanisch behandelt werden, simuliert und analysiert das PGI-1 die elektronischen Eigenschaften topologischer Isolatoren. Die Untersuchungen zielen darauf ab, die am besten geeigneten Materialien für praktische Anwendungen zu finden. Die Abbildung zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Oberflächenzustände des topologischen Isolators Antimontellurid. Die kegelförmige Elektronendispersion (rot), der sogenannte Dirac-Kegel, ist ein typisches Merkmal von topologischen Materialien.
Originalveröffentlichung: Many-body corrected tight-binding Hamiltonians for an accurate quasiparticle description of topological insulators of the Bi2Se3 family; I. Aguilera et al.; Phys. Rev. B 100, 155147 - Published 30 October 2019
Institutsbereich: Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Elektronen lokalisieren mit Hilfe von Leerstellen
Theoretische Physiker am Peter Grünberg Institut und am Institute for Advanced Simulation haben mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie die Rolle von Leerstellen (VAC) auf die elektronische Struktur kristalliner Phasenwechselmaterialien untersucht. Sie nutzten die kürzlich im Haus entwickelte KKRnano-Methode auf dem Jülicher BlueGene /P-Supercomputer JUGENE, um eine kubische Ge512VAC512Sb1024Te2048-Superzelle aus 4096 Atomen zu modellieren. Die Abbildung zeigt die atomar aufgelöste räumliche Verteilung der lokalen Zustandsdichte (LDOS) an der Fermi-Energie. Im linken unteren Teil werden chemische Informationen, im oberen rechten Teil der Wert der LDOS angezeigt, wobei hier große (kleine) Radien der Kugeln hohen (niedrigen) DOS-Werten entsprechen. In beiden Teilen der Grafik werden die Elemente mit Farben kodiert: Weiß steht für Ge, transparent für VAC, hellblau für Sb und dunkelblau für Te.
Originalveröffentlichung:
Zhang, W. ; Thiess, A. ; Zalden, P. et al.;
Role of vacancies in metal-insulator transitions of crystalline phase-change materials;
Nature materials 11 (2012) 952 – 956
Weitere Information über KKRnano
Suche nach der vierten Eigenschaft des Elektrons
Forscher des Peter Grünberg Instituts versuchen in Kooperation mit Kollegen aus den USA und Tschechien, ein elektrisches Dipolmoment bei Elektronen nachzuweisen. Seine Existenz ist eine Voraussetzung für die Richtigkeit zahlreicher physikalischer Theorien, die sich zum Beispiel mit der Entstehung des Universums beschäftigen. Um die Genauigkeit bisheriger Messungen zu verbessern, haben die Forscher mit Hilfe des Jülicher Supercomputers JUROPA ein neues keramisches Material hergestellt.
Originalveröffentlichung:
A multiferroic material to search for the permanent electric dipole moment of the electron;
K. Z. Rushchanskii et al.;
Nature Materials (2010), DOI: 10.1038/NMAT2799
Pressemitteilung: Forscher suchen die vierte Eigenschaft des Elektrons
Nachwuchsgruppe: "Computational Nanoferronics Laboratory"
Elektronen aufgespürt
Die Abbildung zeigt einen Schnitt durch die Elektronenverteilung im Inneren von Wolfram. Die Farbhelligkeit markiert die Elektronendichte: je heller, desto mehr Elektronen. Einem internationalen Forscherteam unter Beteiligung des Peter Grünberg Instituts ist es gelungen, die elektronischen Zustände von kristallinen Materialien mehr als zehnmal tiefer im Materialinneren zu untersuchen, als es zuvor möglich war. Da die physikalischen Eigenschaften fester Stoffe auf eben diesen elektronischen Zuständen im Materialinneren beruhen, wird der Methode ein beträchtliches Potenzial für die Materialforschung vorhergesagt.
Originalveröffentlichung:
Probing bulk electronic structure with hard X-ray angle-resolved photoemission;
A.X. Gray et al;
Nature Materials (2011), DOI:10.1038/nmat3089
Pressemitteilung: Blick in bisher ungeahnte Tiefen
Institutsbereich:
Magnetische Wirbel
In nanometerdünnen magnetischen Schichten treten magnetische Wirbel auf. Die Magnetisierung im Kern dieser Wirbel lässt sich durch kurze Strompulse blitzschnell umschalten - ein Vorgang, den diese Computersimulation zeigt. In miniaturisierten Datenspeichern der Zukunft könnten solche Strukturen als Bits fungieren.
Institutsbereich: "Elektronische Eigenschaften" (PGI-6)
Nano-Sonar
So wie ein Sonar Schallwellen aussendet, um die dunklen Tiefen der Ozeane zu erkunden, können Elektronen von Rastertunnelmikroskopen genutzt werden, um tief verborgene Eigenschaften des Atomgitters von Metallen zu untersuchen.
Originalveröffentlichung:
Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing;
Weismann et al.; Science (2009), DOI: 10.1126/science.1168738
Pressemitteilung: Nanosonar misst mit Elektronen unter der Oberfläche
Nachwuchsgruppe: "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory":
Allzweck-Werkzeug für die Spintronik-Forschung
Auf der Suche nach der energiesparenden Informationstechnologie der Zukunft erzeugen und erforschen Wissenschaftler am Peter Grünberg Institut nanometerkleine Bauteile für die Spintronik. Dabei hilft ihnen das "Schweizer Taschenmesser" unter den Forschungswerkzeugen: Mit dem selbst konzipierten "Nano-Spintronics-Cluster-Tool" können die Forscher Nanobauteile im Ultrahochvakuum erzeugen, abbilden und untersuchen. Das Foto zeigt ein Detail des drei Tonnen schweren Spezialwerkzeugs.
Fachinformationen auf Englisch: Nano-Spintronics-Cluster-Tool
Elektrochemie atomar untersucht
Eine neue Möglichkeit, elektrochemische Prozesse auf atomarer Skala zu studieren, haben Forscher des Peter Grünberg Instituts gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Aachen und aus Tsukuba in Japan gefunden. Die Methode könnte helfen, die Energieeffizienz von Systemen zu verbessern, welche zukünftig eine neue Form schneller und energiesparender Arbeitsspeicher in der Informationstechnologie ermöglichen sollen. Die Methodik eröffnet außerdem neue Möglichkeiten zur Untersuchung und Optimierung von Brennstoffzellen, Batterien, chemischen Sensoren und Katalysatoren. Die Abbildung zeigt die atomar aufgelöste Struktur eines Festelektrolyten.
Originalveröffentlichung:
Atomically controlled electrochemical nucleation at superionic solid electrolyte surfaces;
I. Valov et al.; Nature Materials (2012), DOI: 10.1038/NMAT3307
Pressemitteilung vom 29.04.2012: "Elektrochemie auf atomarer Ebene"
Elektronenwelle
Physiker des Peter Grünberg Instituts entdeckten mit Hilfe von Computersimulationen einen neuen magnetischen Zustand. Er entsteht, wenn ein magnetisches Fremdatom auf die Oberfläche eines Metalls aufgebracht wird. Weil die Elektronen des Metalls mit dem magnetischen Feld des Fremdatoms wechselwirken, entstehen ringförmige Wellen aus Elektronen auf der Oberfläche des Metalls. Sie ähneln den Wellen auf einer Wasseroberfläche, in die ein Stein gefallen ist.
Originalveröffentlichung:
Magnetic adatom induced skyrmion-like spin texture in surface electron waves;
Lounis et al.; Physical Review Letters (2012), DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.207202
Nachwuchsgruppe: "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory"
Forschung mit Neutronen
Forscher am Jülich Centre for Neutron Science und am Peter Grünberg Institut können mit Hilfe von Neutronen den atomaren Aufbau und die Bewegungen von Materialien sehr genau untersuchen. Mit dem hier abgebildeten "Spektrometer für diffuse Neutronenstreuung" lässt sich zum Beispiel die magnetische Struktur von Nano-Materialien mit atomarer Genauigkeit erkennen. Solche Materialien sollen einmal für leistungsfähige Datenspeicher in der Informationstechnologie oder für Quantencomputer nutzbar sein.
Lesen Sie mehr: DNS - Spektrometer für diffuse Streuung
Mikroskop filmt Mikroskop
Ein Rastertunnelmikroskop erkennt Nanostrukturen Atom für Atom. Ein Film des Peter Grünberg Instituts zeigt, wie die ultrafeine Spitze eines solchen Mikroskops die Oberfläche einer Probe abtastet. "Gefilmt" wurde mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops.
Zum Film:
http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/UeberUns/Organisation/Gruppe2/microFilmsMicro/_node.html
Nanodrähte aus halbleitenden Materialien
Der so genannte Bottom-Up-Ansatz erlaubt es, Halbleiternanostrukturen direkt mittels Epitaxie herzustellen. Im Gegensatz zum alternativen Top-Down-Ansatz, bei dem Nanostrukturen durch aufwändige Lithographieverfahren definiert werden, eröffnet sich hier die Möglichkeit, den Herstellungsprozess erheblich zu vereinfachen. Unter den möglichen Strukturen, die mittels des Bottom-Up-Verfahrens hergestellt werden, sind Halbleiternanodrähte, wie der abgebildete, von besonderem Interesse. Der damit verbundene eindimensionale elektrische Leitungskanal kann nicht nur als Element für zukünftige Nanotransistoren genutzt werden, sondern er bildet darüber hinaus auch eine vielseitige Basis für unterschiedlichste Quantenstrukturen.
Mehr zur Forschung an Halbleiternanodrähten am Institutsbereich: Halbleiter-Nanoelektronik (PGI-9)
Molekulare Magnete
Die Abbildung zeigt Polyocometallat {Mo72Fe30}, ein kugelförmiges Molekül mit 30 magnetischen Zentren. Solche magnetischen Moleküle mit Abmessungen im Nanometer-Bereich sollen einmal für leistungsfähige Datenspeicher in der Informationstechnologie oder für Quantencomputer nutzbar sein.
Forschung im Bereich Nanomagnetismus am Institutsbereich Quantenmaterialien und Kollektive Phänomene (PGI-4)
und am Institutsbereich Elektronische Eigenschaften (PGI-6)
Nanopositionierer
Forscher des Peter Grünberg Instituts haben einen piezoelektrischen Motor entwickelt, der weniger als 2,5 Millimeter Durchmesser hat. Weil er so klein ist, können die Wissenschaftler bis zu vier dieser so genannten "Koala drives" in ein einziges Rastertunnelmikroskop einbauen und dadurch Proben mit mehreren Spitzen gleichzeitig ansteuern. Dadurch wird es zum Beispiel möglich, den Ladungstransport in Nanostrukturen detailliert zu untersuchen.
Rastertunnelmikroskopie mit dem "Koala drive" (auf Englisch):
http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/UeberUns/Organisation/Gruppe2/KoalaDrive/_node.htm
Ultrahochauflösende Elektronenmikroskopie
Methoden der ultrahochauflösenden Transmissionslektronenmikroskopie machen es heute möglich, atomare Abstände auf wenige Pikometer genau zu messen. Ein Pikometer ist etwa hundertmal kleiner als der Durchmesser eines Atoms. So ist es möglich, die für die physikalischen Eigenschaften von Materialien entscheidenden Größen direkt auf atomarer Ebene im Mikroskop zu bestimmen. Nur an wenigen Orten der Welt ist dies bisher möglich; das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen am Peter Grünberg Institut ist einer der Vorreiter auf diesem Gebiet.
Weitere Informationen:
Elektronenmikroskopie am Institutsbereich (engl.): Mikrostrukturforschung (PGI-5)
Kollektive Phänomene
Es gibt physikalische Phänomene, die nur im Wechselspiel einer Vielzahl von Teilchen möglich sind. Wellen zum Beispiel können nicht von einem Wassermolekül alleine erzeugt werden. Forscher des Peter Grünberg Instituts erforschen solche so genannten "korrelierten" Phänomene in Festkörpern, wo sie durch die Wechselwirkungen zwischen Abermilliarden von Atomkernen und Elektronen entstehen. Eine Herausforderung ihrer Arbeit liegt darin, dass sich die gesuchten Eigenschaften nicht unmittelbar aus den grundlegenden Formeln der Elementarteilchenphysik herleiten lassen. Denn das Ganze ist hier mehr als die Summe seiner Teile.
Forschung an den Institutsbereichen:
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1 / IAS-1)
Theoretische Nanoelektronik (PGI-2 / IAS-3)
Streumethoden (PGI-4 / JCNS-2)
Abbildung aus: How chemistry controls electron localization in 3d1 perovskites: a Wannier-function study;
Pavarini et al.; New J. Phys. 7 188, DOI:10.1088/1367-2630/7/1/188
Moleküle als Elektronik-Bauteile
Mit fortschreitender Miniaturisierung in der Informationstechnologie wird es zunehmend interessanter, einzelne Moleküle als winzige Elektronik-Bauteile zu nutzen. Forscher des Peter Grünberg Instituts befassen sich mit Quantentransporteffekten in solchen Molekülen. Sie untersuchen zum Beispiel magnetische Moleküle, etwa metall-organische Komplexe, mit Methoden der theoretischen Physik, wie der Quantenfeldtheorie und der statistischen Mechanik. Auf elektrische und magnetische Felder reagieren diese Moleküle mit Ladungs-, Spin- und Schwingungsanregungen. Ein besseres Verständnis dieser Effekte und ihres Wechselspiels könnte eine Vielzahl von neuartigen technischen Anwendungen ermöglichen. Die Abbildung zeigt den Effekt einer Schwingung auf die Leitfähigkeit eines Moleküls.
Mehr dazu am Institutsbereich: Theoretische Nanoelektronik (PGI-2 / IAS-3)
So funktioniert „PICO“
Mit den besten Elektronenmikroskopen unserer Zeit im Ernst Ruska-Centrum (ER-C) können Forscher die Anordnung von Atomen in einem Material abbilden und sehr detailliert untersuchen, wie das Zusammenspiel der Atome die Eigenschaften von Werkstoffen und Bauelementen bestimmt. Im Februar 2012 hat das ER-C seinen Gerätepark um ein europaweit einzigartiges Höchstleistungsmikroskop ergänzt: PICO korrigiert neben der sphärischen Aberration noch einen weiteren Linsenfehler – die chromatische Aberration – und erreicht so eine Rekordauflösung von 50 milliardstel Millimetern.
Sehen Sie in diesem Film, wie PICO funktioniert.
Mehr über „PICO“ (Advanced Picometre Resolution Project) lesen Sie in der Broschüre Einblick in die Welt der Atome (PDF, 9 MB)
Ernst Ruska-Centrum (ER-C): www.er-c.org
Oberflächenzustände von Halbleiternanodrähten aufgedeckt
Forscher aus dem PGI-5 haben dazu beigetragen, die Oberflächenstruktur von Galliumnitrid-Nanodrähten aufzuklären. Ihre Erkenntnisse gelten wahrscheinlich auch für Nanodrähte aus anderen Halbleitern und geben neue Impulse für die Entwicklung miniaturisierter optoelektronischer Bauteile. Die Grafik veranschaulicht die Zustandsdichte an der Oberfläche eines Galliumnitrid-Kristalls (unten) im Vakuum, also die Wahrscheinlichkeit, mit der Elektronen bestimmte Energieniveaus besetzen (rot = hoch, grün = niedrig).
Originalveröffentlichung:
Hidden surface states at non-polar GaN (1010) facets: Intrinsic pinning of nanowires; L. Lymperakis et al.; Appl. Phys. Lett. 103, 152101 (2013), published online 7 October 2013, DOI: 10.1063/1.4823723, Article
Institutsbereich: Mikrostrukturforschung (ER-C-1 / PGI-5)
Rechnen mit Neodym
Magnetische Moleküle gelten als aussichtsreiche Schaltelemente für die Informationsverarbeitung der Zukunft. Ein interdisziplinäres Forscherteam des Peter Grünberg Instituts und der RWTH Aachen hat erstmals besonders robuste magnetische Moleküle hergestellt, deren magnetische Informationen sich auf direktem Weg elektrisch auslesen lassen. Möglich wurde dies durch die Wahl des Selten-Erd-Metalls Neodym als zentralem Baustein des Moleküls. Auf der Abbildung ist die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (oben) zu sehen, mit der die Forscher elektrischen Strom durch das Doppeldeckermolekül (unten) leiten. Im Zentrum befindet sich ein Neodym-Atom (rot).
Originalveröffentlichung:
Accessing 4f-states in single-molecule spintronics;
S. Fahrendorf et al.; Nature Communications, published online 24 September 2013, DOI: 10.1038/ncomms3425, Artikel
Pressemitteilung: Rechnen mit Neodym - Vielversprechender Kandidat für die Informationsverarbeitung mit magnetischen Molekülen
PGI-Institutsbereiche:
Quantencomputing realisieren
Solche „Peapods“ sollen bei der Realisierung des Quantencomputings helfen. Eine „Erbsenschote“ besteht aus einem Kohlenstoffnanoröhrchen, das mit Fullerenen - Kugeln aus Kohlenstoffatomen - gefüllt ist. Jede Kugel enthält ein Stickstoffatom, dessen Spin als Recheneinheit dienen soll. Die Kohlenstoffatome besitzen selbst keinen Spin und stabilisieren deshalb den Stickstoffspin. Die „Erbsenschoten“ sollen auf einem Diamanten platziert werden, der Stickstoff-Fehlstellen enthält. Diese können optisch ausgelesen werden und empfangen die Spininformation der Qubits durch Kopplung.
Meldung vom 14.11.2012: „PGI-Forscher arbeiten an der Realisierbarkeit des Quantencomputings“
Forschung der Arbeitsgruppe „Spintronik in Kohlenstoff-Nanostrukturen“ (engl.)