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Neue Materialien für die IT

Entscheidendes Kriterium für die Funktionsweise moderner Technologien und Anwendungen beispielsweise im Bereich der Energieversorgung oder Informatik sind die Materialien, die bei diesen Technologien zum Einsatz kommen. Einige Anwendungen werden überhaupt erst möglich durch maßgeschneiderte Werkstoffe, die besondere Eigenschaften aufweisen.

Um bestehende Technologien weiter zu optimieren und den Grundstein für neue Technologien zu legen, erforschen Jülicher Wissenschaftler Elemente und Materialkomponenten auf atomarem Niveau. Ziel ist es, das Verhalten von Stoffen im Nanobereich zu verstehen und ihre Eigenschaften durch gezieltes Materialdesign für spezifische Anwendungen nutzbar zu machen.
Die Jülicher Grundlagenforschung bedient sich dabei verschiedener Methoden und Instrumente, um in die innersten Strukturen vorzudringen und den dort vorherrschenden Mechanismen auf den Grund zu kommen.

Forschung mit Neutronen für Speichermedien

Die Neutronenforschung macht sich das Verhalten von Neutronen zunutze, das diese in Wechselwirkung mit den zu erforschenden Materialproben aufweisen.

Neutronen sind elektrisch neutrale Bausteine der Atomkerne. Erzeugt werden sie durch Kernspaltung oder durch die sogenannte Spallation ("Abspaltung"), bei der mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers Salven von Protonen auf ein schweres Metall geschossen werden. Die freigewordenen Neutronen werden in speziellen Instrumenten auf die zu untersuchenden Proben gelenkt. An den Atomen und Molekülen der Proben "prallen" sie ab; dabei können sie ihre Richtung und Geschwindigkeit ändern. Die Art und Muster dieser "Streuung" gibt Auskünfte über die Anordnung und Bewegung der Atome in der jeweiligen Probe.

Magnetische Eigenschaften von Neutronen nutzen

Auch eine weitere Eigenschaft von Neutronen kann für die Forschung insbesondere im IT-Bereich genutzt werden: Neutronen sind kleine Elementarmagnete. Wie ein winziger Kompass reagieren sie auf die Magnetfelder einzelner Atome von Proben. Diese Reaktion kann an einem Spektrometer für Diffuse Neutronenstreuung (DNS) vermessen werden.

Auf diese Weise können Wissenschaftler die magnetischen Strukturen beispielsweise von molekularen Magneten untersuchen. Diese könnten in Zukunft in Quantencomputern sowie in Datenspeichern Verwendung finden. Doch um sie für sie für solche Anwendungen nutzbar machen zu können, ist es wichtig, ihre magnetische Ordnung und Dynamik auf atomarer Ebene zu kennen. Auf dieser Basis können dann neue Speichermedien mit geringerem Energieverbrauch und neuen Funktionalitäten entwickelt werden.

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Elektronenmikroskopie für neue Materialien in der IT

Das Elektronenmikroskop PICOPICO
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Die Mikroskopie zählt seit dem 17. Jahrhundert zu den unverzichtbaren Werkzeugen der Wissenschaft. Die Elektronenmikroskopie erlaubt es, die Grenzen von Lichtmikroskopen zu überwinden und in immer kleinere Dimensionen vorzudringen. Die besten Elektronenmikroskope unserer Zeit im Ernst Ruska-Centrum (ER-C) eröffnen Wissenschaftlern einen einzigartigen Zugang in die atomare Struktur der Materie. Die Bewegungen und das Zusammenspiel der Atome zu verstehen, ist wesentlich für das Design von Materialien mit neuen Eigenschaften und die Entwicklung nanoelektronischer Bauteile.

Jülicher Forscher arbeiten an neuen Methoden, um magnetische Felder in immer besserer Auflösung von wenigen Nanometern darzustellen und elektrisch polarisierte Bereiche auf atomarer Ebene zu analysieren. Die Erkenntnisse über die entdeckten Effekte sind eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung neuartiger elektronischer Komponenten. Diese sollen die Eigenschaften aktueller Datenspeicher gleich in mehrfacher Hinsicht übertreffen: kleiner, schneller und energieeffizienter sollen sie sein, und die gespeicherte Information auch dann noch erhalten, wenn kein Strom fließt. Ein weiteres Ziel: die zukünftigen Bauelemente werden es möglicherweise erlauben, die Aufgaben von Prozessor und Informationsspeicher zu vereinen, sodass die Daten dann nicht mehr aufwendig zwischen verschiedenen Bausteinen hin und her transportiert werden müssen.

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