Die Arbeit mit winzigen Atomen kann begeisternd sein. Ein Quäntchen davon verspürten auch die 15 Ausflug-Teilnehmenden beim Besuch im Stuttgarter Quantenzentrum. In anderthalb Stunden brachte Prof. Sebastian Loth aus dem Quantentechnologie-Institut FMQ mit seinem Team die Forschung mit den kleinsten Elementen und ihren besonderen Gesetzen anschaulich näher. Wir sahen aus der Nähe, wie mitten auf dem Campus Vaihingen ausgeklügelte Labore ermöglichen, dass an der Uni Stuttgart diese noch sehr neue Wissenschaft betrieben werden kann.
Ein heller Besprechungsraum am Ende des weitläufigen Korridors. Saubere Linoleum-Böden, glatte Sichtbeton-Wände, Blickbeziehungen in viele Richtungen: Bereits die Architektur des Zentrums für angewandte Quantenforschung (ZAQuant) vermittelt, dass hier ein neuer, durchdachter Bau steht. Oktober 2021 eröffnet, bietet der zur Hälfte vom Bund und vom Land finanzierte Forschungsbau den Physikerinnen und Physikern unserer Universität die Möglichkeit, kleinste Teilchen nicht nur theoretisch zu berechnen, sondern auch praktisch zu beobachten.
Eine Reise durch den Nano-Kosmos
Im Besprechungsraum nimmt uns Prof. Sebastian Loth mit freudig blitzenden Augen und bildreicher, greifbarer Sprache mit auf die Reise – nicht in einen Mikrokosmos, sondern in den noch kleineren Nano-Kosmos. Er habe seine Begeisterung fürs Legospielen einfach auf die Physik übertragen. Atome sind seine Bausteine. Mit ihren besonderen Regeln, wie Atome miteinander interagieren, befasst sich seine Forschung. Loth und sein Team wollen herausfinden, bis zu welcher Grenze die Gesetze der Quantenphysik gelten und ab wann die klassischen physikalischen Gesetze wirken.
Stuttgarter Forscherinnen und Forscher sind an der Weltspitze der angewandten Quantenforschung. Mit der Universität Ulm gibt es seit vielen Jahren die Kooperation IQST, geleitet von Loths FMQ-Kollegin Prof. Stefanie Barz. Ihr Schwerpunkt sind Quanten zur Informationsvermittlung. Kürzlich gab es einen weiteren praktischen „Quantensprung“, den Loth erwähnt: Das Team um Prof. Peter Michler vom Institut für Halbleiter und Grenzflächentechnik (IHFG) hat eine Quantenverbindung über normales Glasfasernetz hergestellt.
Eine gerade 45 Jahre alte Erfindung, das Rastertunnelmikroskop (RTM), macht die Versuche überhaupt möglich. Das RTM hat eine sehr spitze Nadel, die mit nur einem Atom endet und unter elektrischer Spannung steht. Mithilfe einer Computersteuerung geht das Mikroskop sehr nah an die beobachteten Objekte heran. Es erkennt anhand eines elektrischen Stroms den Abstand zu den Atomen und ihren Elektronen. Außerdem kann es an der Spannung erkennen, um welches Element es sich handelt. Den „Tunnel“ im Namen des Mikroskops erklärt uns Loth sogleich: Zwischen der Spitze des Mikroskops und der Probe ist ein kleiner Vakuumspalt von etwa vier Atomdicken Breite, durch den Elektronen wie durch einen Tunnel fließen.
Die Beziehungen von Atomen zueinander und wie sich ihre Magnetfelder ausrichten, wenn man sie mit der RTM-Nadel an andere Stellen „schiebt“, misst Loth mit seinem Team. Auf Computerbildern zeigt er uns Beispiele der Messungen, etwa Eisenatome, die wie ein Schachbrett angeordnet wurden. Eine Gruppe von drei Eisenatomen daneben sind ein Mini-Sensor für die Quantenbeziehungen. Weil in der Quantenwelt jede Messung auch den Versuch beeinflusst, wird so der direkte Einfluss der Nadel auf den eigentlichen Versuch kleiner. Sie muss dann nur noch auf den Sensor schauen.
Um uns zu zeigen, wie es sich in diesem Nano-Maßstab arbeitet, geht Loth mit uns auch im Gebäude eine Ebene tiefer: vorbei an den Bullaugen-Fenstern, die hinter sich vier große Betonwürfel erahnen lassen, ins Erdgeschoss in den Kern des Quantenzentrums. Die Würfel mit ihren fast zehn Metern Außenkante stehen baulich entkoppelt in der Mitte. Die ganze umgebende Halle ist so gebaut, dass sie Erschütterungen der Umgebung draußen lässt. Der Bus, der wegen einer Baustelle durch den Allmandring fährt, würde ohne diese Abschirmung Messungen im Quantenbereich unmöglich machen.
Im Naturwissenschaftlichen Zentrum (NWZ) dagegen – dem Bau, in dem weitere physikalische Labore sind – stören beispielsweise die fahrenden S-Bahnen die Versuche so stark, dass man aus den Mess-Schwankungen den Fahrplan ablesen könnte.
Einer der Labor-Würfel trägt darum auch eine silberne Außenhaut. Prof. Jörg Wrachtrup aus dem 3. Physikalischen Institut und sein Team können dort sogar magnetisch abgeschirmte Quantenmessungen machen. Wegen der hohen Kosten verzichtete man bei den anderen Quadern auf diese Ergänzung. Sie sind „nur“ erschütterungsfreie Messstationen. In einer dürfen wir einen Versuchsaufbau bestaunen. Lara Metzger forscht gerade für ihre Masterarbeit. Jede Frage zum eigentümlichen Edelstahl-Gerät mit Sichtfenstern und Rohren in alle Richtungen beantwortet sie zusammen mit ihrem Kommilitonen Julian Zeitler, geduldig und anschaulich für uns Laien. Die Rohre sind Hebel, um die winzige Probe an die richtige Stelle zu bugsieren.
Ein großer Heliumzylinder unter dem Messtisch, anderthalb Meter in den Boden reichend, kühlt die Proben auf knapp über dem absoluten Nullpunkt, Minus 273 Grad Celsius. Das ist notwendig, damit die Atome starr liegen bleiben. In wiederkehrenden Versuchen – von denen jeder Aufbau etwa vier Stunden dauert – dampft sie Magnesiumoxid auf eine Silberunterlage. Diese ist nur zwei Atomlagen dick. Mit Argon-Gas „sandstrahlt“ sie dann die Oberfläche, dass sie die gewünschte Menge und Verteilung behält. Schritt für Schritt nähert sie sich der Zielvorstellung an. Jeder neue Versuch wird mit dem RTM gemessen. Dafür muss die Physikerin dann den bunkerhaften Raum verlassen, schließen und draußen am Computer steuern, um bloß keine Erschütterung in den Versuch zu bringen. Das Ergebnis halten die Forschenden schließlich handschriftlich mit Foto-Ausdrucken, Markierungen und Schönschrift im Laborbuch fest.
Versuch und Irrtum: Die angewandte Quantenforschung ist so neu, dass es nur für die wenigsten Fälle Rezepte gibt – etwa die Silberunterlagen sind Standard. Die Neuheit des Fachgebiets macht die Quantenphysik zugleich zu einem sehr diversen Fach. Es gibt viele erfolgreiche Quantenphysikerinnen, die den Studentinnen role models sein können. In der klassischen Physik seien vor allem Bilder alter Männer bekannt, sagt Loth. Und das, obwohl es auch schon erfolgreiche Physikerinnen gegeben hatte, ergänzt Metzger.
Das ZAQuant bietet mit seinen Laboren vielen Forschenden der Stuttgarter Quantenphysik die passenden Arbeits- und Studienbedingungen. Mit der kommunikativen Atmosphäre kommen außerdem die Physikerinnen und Physiker untereinander ins Gespräch und auf neue Projekte. Interdisziplinär geht es auch zu. Initiiert hatten das Zentrum Prof. Jörg Wrachtrup und Prof. Harald Giessen aus dem 3. und 4. Physikalischen Institut; ihre Teams forschen unter besonders abgeschirmten Bedingungen und nutzen z. B. im Erdgeschoss einen Reinraum zur Chipherstellung. Prof. Jens Anders aus der Elektrotechnik mit seinem Team forscht dort ebenfalls. Biolabore gibt es auch. Im zweiten Stock des Quantenzentrums lassen sich die Atome biologischer Proben untersuchen.
Der Weg unseres Besuchs endet hinter dem Haupteingang im großzügigen Treppenhaus. Rechts von uns blicken wir durch die orangefarbene Glasscheibe ins Reinraum-Labor. Ein hoher, schwarzer Bildschirm spiegelt sich in der futuristischen Fensterfront; an der Wand gegenüber erstreckt er sich bis zur etwa sechs Meter hohen Decke. Auf ihm leuchtet immer wieder weißer Buchstabensalat auf, von Leerzeichen und Satzzeichen in Verse gegliedert. Das ist die obligatorische Kunst am Bau, ein Gedicht von Goethe – mit der Idee von Quantenphysik inspiriert und daher die Buchstaben immer wieder neu sortierend, über Stunden hinweg. Während wir auf die Tafel schauen, schaltet die weiße Schrift ab. Der Projektionszyklus endet, sagt Loth. Für uns endet ein Ausflug, der nicht nur in ein spannendes Gebäude führte, sondern eine ganz neue Welt erschloss.
Vielen Dank an Prof. Sebastian Loth und sein Team für die freundliche Führung und die anschaulichen Einblicke in die Forschungsarbeit!
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