Dem Quantencomputer auf der Spur - Interview mit Nano-Nachwuchswissenschaftlerin Heidemarie Schmidt

Die Nanotechnologie macht es möglich: Aus Verfahren zur Untersuchung und Bearbeitung kleinster Partikel entstehen innovative Materialien. Über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, lässt sich heute erst spekulieren. Die Möglichkeiten sind jedoch immens, das beweisen schon jetzt Forscher der Universität Leipzig. Am Institut für Experimentelle Physik arbeitet ein Team um Heidemarie Schmidt an magnetischen, transparenten Halbleitermaterialien, die in Quantencomputern und in der Weltraumforschung eingesetzt werden sollen. Das BMBF fördert das Projekt im Rahmen des Nachwuchswettbewerbs "Nanotechnologie".

Halbleiter sind heute die Grundlage aller Bauelemente für hochintegrierte Schaltungen und damit Computerchips. Schalten  und Speichern basieren dabei auf der Manipulation der elektrischen Ladung von Elektronen. Neben der Ladung hat das Elektron noch eine weitere Eigenschaft, die Drehung oder Spin, der nur zwei Zustände einnehmen kann. Spineffekte wurden bisher erst für magnetischen Speichermedien genutzt. Das rasche Wachstum der Speicherkapazität von Computerfestplatten ist auf diese Technik zurückzuführen. Wenn es gelingt, durch geeignete Materialien den Elektronen-Spin in Halbleiter-Bauelementen zu nutzen, wäre eine Informationsspeicherung und -übertragung für Quantencomputer möglich, aber auch der Bau noch kompakterer Speicher. Nanotechnologie liefert die Bauteile für diese Spin-Elektronik, oder kurz Spintronic.

Frage: Frau Schmidt, was sind die Ziele Ihrer Forschung?
Wir wollen transparente, magnetische Nano-Materialien entwickeln, die als Halbleiter fungieren - was es bisher noch nicht gibt. Dazu muss man wissen, dass Metalle sehr gute elektrische Leiter sind und dass die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt eingestellt werden kann. Im täglichen Leben begegnen uns Halbleiter zum Beispiel als Mikrochips in Computern.

Frage: Welche Vorteile hätten transparente magnetische Halbleiter auf der Nano-Ebene?
Heutzutage wird in Halbleiterbauelementen nur die elektrische Ladung als Informationsträger genutzt. Magnetische Halbleiter, in denen die präzise einstellbaren optischen und elektrischen Eigenschaften mit dem Magnetismus verknüpft werden, würden völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Die Halbleiter könnten vor allem in so genannten Spintronik-Lasern zum Einsatz kommen. Spintronik wird auch zur Entwicklung von ultraschnellen Speicherbauelementen führen. Eine der größten Herausforderungen ist der Einsatz in Quantencomputern.

Frage: Warum müssen die Halbleiter bei Raumtemperatur funktionieren?
Das macht Sinn, weil die Betriebstemperatur der meisten Halbleiterbauelemente oberhalb der Raumtemperatur liegt. Für magnetische Halbleiterbauelemente mit einer vergleichsweise geringen Leistungsaufnahme werden Betriebstemperaturen nahe Raumtemperatur angestrebt.

Frage: Und warum transparent?
Dass ist die Eigenschaft, die die Entwicklung so kompliziert macht. Aber das Ziel ist, dass man die Halbleiterelemente nicht mehr sieht, so dass sie nicht mehr stören. Außerdem wären sie dann lichtdurchlässig, ein Effekt, der sich für weitere Anwendungen nutzen lässt.

Frage: Die Nanotechnologie ist eine Zukunftstechnologie mit vielen Visionen. Was sind Ihre?
Unser Fernziel ist erstmal der Bau eines Spintronik-Lasers und die Ausnutzung der besonderen Eigenschaften von magnetischen Nanostrukturen. Unsere Visionen zielen dann auf eine Nutzung dieser Strukturen im Gesundheitswesen und in der Weltraumforschung.

Frage: Wie sind Sie zur Nanotechnologie gekommen?
Mich hat dieses Gebiet schon als Diplomandin fasziniert, vor allem die große Wirkung der niedrigdimensionalen Strukturen. Damals habe ich die optischen Eigenschaften von Hableitermaterialien untersucht und festgestellt, dass selbst mit kleinsten Änderungen des Materials drastische Änderungen in den Eigenschaften erzeugt werden können. Meine jetzige Forschung gestattet mir, die Zusammenhänge zwischen den Nanostrukturen und ihren magnetischen Eigenschaften noch genauer zu untersuchen.

Frage: Wann werden erste magnetische Halbleiter in der Praxis zur Anwendung kommen?
Wenn es uns gelingt, solche Materialien zu finden, dann ist eine Produktion relativ schnell möglich. Anders sieht es da mit den Quantenpunkten aus, die wir ja auch untersuchen. Hier wird es sicherlich noch zehn Jahre dauern, bis entsprechende Materialien genutzt werden können.

Frage: In Ihrem Projekt ging es außerdem um die Entwicklung eines neuen Messgeräts auf der Nanoskala. Warum das?
Der Bedarf, etwas zu haben, mit dem man die Dinge auf der Nanoskala nicht nur bauen, sondern auch charakterisieren kann, ist groß. Wir haben also eine Rastersondentechnik entwickelt, mit der man quantitativ kleinste Kapazitäten auf der Nanoskala messen kann, weil nicht statisch, sondern dynamisch gemessen wird. Man kann die Technik nutzen, um zum Beispiel die Konzentration freier Ladungsträger zu erhalten oder die Verteilung von elektrischen Defekten zu bestimmen. Das Messgerät ist so konzipiert, dass man es auch als Erweiterung zu konventionellen Rastersondenmikroskopen nutzen kann.