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Quantenkommunikation | Laudator Thors Hans Hansson verwies bei der Physik-Nobelpreisverleihung 2022 an Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger für „Wegweisende Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenforschung“ auf den chinesischen Quantenkommunikationssatelliten Micius. Dieser führt nach einer Idee des chinesischen Quantenphysikers und Zeilinger-Schülers Pan Jianwei seit 2016 im Weltall Versuche zum Quantenschlüsselaustausch und zur -teleportation durch. 2017 stellte er zwischen Xinlong in China und Graz eine Quantenverbindung her. Mittlerweile erreicht China mit Mikronano-Satelliten und -Bodenstationen eine Quantenschlüsselverteilung von Satellit zu Boden in Echtzeit. Damit könnte das Land eine Digitalwährung einführen und Wirtschaftssanktionen umgehen.H2 | Die Wasserstoff-Ministerkonferenz, ein weltweiter Verbund aus 24 Staaten, hat bei einem Treffen in Tokio für die nächsten zehn Jahre einen Bestand von mindestens 10 Mio. Brennstoffzellsystemen, 10 000 Wasserstofftankstellen und mindestens 90 Mio. Tonnen grünen H2 vorausgesagt.Katalysatorforschung | Ein Team um Luo Yi und Jiang Jun an der University of Science and Technology of China in Hebei will mit einem autonomen Labor für die Hochdurchsatzsynthese, -charakterisierung und -prüfung die Katalysatorforschung verändern. Zur Ausstattung gehören Datenbanken und Algorithmen, zwei mobile Roboter, 15 Workstations für Hochdurchsatzexperimente einschließlich photo- und elektrokatalytischer Teilschritte sowie ein offenes Betriebssystem mit Standardschnittstellen für eine Skalierung.doi: 10.1093/nsr/nwac190/6694008An der Börse | Dem chinesischen Wertpapierverband zufolge gingen im Jahr 2021 in China 481 Wissenschafts- und Technologieunternehmen an die Börse und erlösten dabei 593 Mrd. Chinesische Yuan (83 Mrd. Euro). Drei Viertel aller Börsengänge liefen beim Shanghai Stock Exchange Science and Technology Innovation Board und den Chinext-Markt der Börse in Shenzhen.Rolf Schmid, <a href="https://www.bio4business.eu" target="_blank">www.bio4business.eu</a>

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Blick nach Asien

Quantenkommunikation | Laudator Thors Hans Hansson verwies bei der Physik-Nobelpreisverleihung 2022 an Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger für „Wegweisende Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenforschung“ auf den chinesischen Quantenkommunikationssatelliten Micius. Dieser führt nach ei...

Richtungsabhängige physikalische Eigenschaften von Festkörpern zu bestimmen, etwa die Leitfähigkeit, ist dann schwierig, wenn Temperaturen tief und magnetische Feldstärken hoch sein müssen. Ingenieure am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf haben dafür einen Probenkopf entwickelt.Um richtungsabhängige Eigenschaften von Festkörpern zu untersuchen, reicht es nicht, die Probe auf einen Drehteller zu setzen. Nur mit einem Zweiachsrotator lässt sich ein Objekt von allen Seiten in allen Ebenen durchleuchten.Schwieriger wird es, wenn richtungsabhängige physikalische Größen unter extremen Umgebungsbedingungen, beispielsweise in starken Magnetfeldern, unter hohem Druck oder nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt gemessen werden müssen, zum Beispiel druckinduzierte Supraleitung.Extreme Umweltbedingungen sind unter anderem von der Forschung mit Röntgenlasern bekannt, zum Beispiel am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg mit dem Freie-Elektronenlaser. Hier soll eine Kombination extremer Magnetfelder, Drücke und Temperaturen vor Ort an der Helmholtz International-Beamline-for-Extreme-Fields(Hibef)-Experimentierstation realisiert werden, um spektrale Parameter unter Vakuumbedingungen zu messen. Dafür müssen millimetergroße Probenkörper extrem genau ausgerichtet werden, zumal Laserstrahlung selbst anisotrop ist. Hier ist eine grundsätzliche Tendenz zu erkennen: Die Kombination mehrerer extremer Parameter führt fast automatisch zu kleinen Bauräumen.<h2 type="main">Auf zehn Milligrad genau ausrichten</h2>Zu den winkelabhängigen Effekten gehört die Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov(FFLO)-Supraleitung, die vom Magnetfeld abhängt. Ihre Existenz haben Physiker experimentell erst durch Kombination präziser Probenrotatoren, starker Magnetfelder und Kryostattechnik nachgewiesen.Im Hochfeld-Magnetlabor am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf werden Experimente an Festkörpern bei Magnetfeldstärken bis 90 Tesla durchgeführt – dies entspricht etwa dem Zweimillionenfachen des Erdmagnetfelds.„Wir untersuchen unter anderem Materialien mit anisotropen magnetischen Eigenschaften, wofür wir die Proben in manchen Fällen mit einer Genauigkeit von 10 Milligrad mit ihren kristallographischen Achsen im Magnetfeld ausrichten müssen“, erläutert <link href="#nadc20224127875-fig-0001">Hannes Kühne. Der Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum hat sich mit seiner Gruppe auf Kernspinresonanz-Messungen an Festkörpern spezialisiert.<figure xml:id="nadc20224127875-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/zSNyJo1QhmwhV6RCkH5J"><figcaption><label>Abb.1: </label>Stefan Findeisen (links) und Hannes Kühne mit einem Zwei-Achs-Rotator für Kernspinresonanz-Experimente: Damit können sie die Proben im Magnetfeld bis zu zehn Milligrad genau ausrichten. Foto: HZDR/J. Claußner</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Ein neuer Rotator</h2>Für Kühnes Experimente erfüllten die verfügbaren Probenrotatoren nicht die Anforderungen an Baugröße, Handhabbarkeit und Positioniergenauigkeit. Die Experimente erfordern einen tieftemperatur- und hochvakuumtauglichen Rotator, der die Probe vollständig um zwei unabhängig angetriebene, voll rotationsfähige orthogonale Achsen mit konzentrisch gelagertem Antrieb dreht. Zudem mussten Probe und Rotator auf zehn Kubikzentimeter passen.Bei größerem Bauraum lassen sich zwar fünf Achsen unterbringen, wobei der Motor üblicherweise unmittelbar auf der jeweiligen Achse sitzt. Für kleine Bauräume wie in den Tieftemperaturapparaturen des Festkörperphysikers Kühne jedoch gab es bisher lediglich Spezialkonstruktionen und Eigenbaulösungen einzelner Forschergruppen. Sie basieren zum Beispiel auf einachsigen Rotatoren mit eingeschränkter Drehung (weniger als 360 °) der zweiten Achse, bei deren Betrieb die Probenposition stark verändert wird.Konstruiert hat den Probenkopf der Ingenieur Stefan Findeisen aus der Zentralabteilung Forschungstechnik am HZDR. Bei seinem <link href="#nadc20224127875-fig-0002">Zweiachsrotator sitzt der Motor nicht direkt auf der Achse, die er antreibt. Stattdessen lenkt ein Schneckengetriebe den Antrieb des Motors um, zum Beispiel um 90 °. Das System kann Proben bis 6,5 mm × 9 mm Flächengröße bei einer Winkelgenauigkeit von 0,01 ° und Temperaturen zwischen –273 und +100 °C sowie bei beliebig hohen Magnetfeldstärken rotieren.<figure xml:id="nadc20224127875-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/0o8Ky7zbTdaWY4EF3pfZ"><figcaption><label>Abb.2: </label>Probenkopf mit Zwei-Achs-Rotator. Um die Probe neu auszurichten, muss sie nicht ummontiert werden und kann gekühlt bleiben. Foto: HZDR/P. Fritzsche</figcaption></figure></figure>„Damit entfällt der Umbau für Rotationen um die zweite Achse“, erläutert Findeisen. Und arbeitet man bei tiefen Temperaturen, beispielsweise durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder Helium, braucht man die Probe nicht zu erwärmen, um sie erneut auszurichten, bevor sie wieder gekühlt wird. Sie lässt sich nun direkt in der gekühlten Umgebung ausrichten – während der Messreihe. Das spart nicht nur Zeit und Ressourcen, sondern, so sagt Findeisen, „man schützt auch die teils sehr empfindlichen Proben.“ Dazu zählen Materialien, die sensibel auf elektrostatische Entladungen reagieren – hier wird jede Berührung beim Eingriff in die Apparatur zum Risiko, die Probe zu zerstören.<h2 type="main">Mehr Messdaten und Materialien</h2>Ein weiteres Beispiel, bei dem die Anisotropie des Materials eine Rolle spielt, ist die Spintronik. Diese nutzt die Kopplung elektrischer und magnetischer Eigenschaften, um Informationen zu speichern, beispielsweise mit magnetischen Halbleitern oder Heusler-Verbindungen. Diese Speicherung soll effektiver sein als mit den elektronischen Bauteilen bisher. In der Forschung lassen sich mit dem Zweiachsrotator mehr Daten mit hoher Winkelauflösung gewinnenDer Zweiachsrotator bietet sich für weitere Anwendungen an, zum Beispiel für Spektroskopie oder bildgebende Verfahren. Dafür bietet die HZDR Innovation den Rotator jetzt als kommerzielles Produkt „Rotax“ an.Zurzeit besteht der Rotator aus Polyetheretherketon (PEEK), denn das Material hält starken Magnetfeldern ebenso stand wie Temperaturen am absoluten Nullpunkt. Alternativ ist eine Fertigung aus Messing möglich. Dessen metallische Wärmeleitung lässt sich für die Temperierung von Proben direkt über den Probenträger nutzen.Würde der Rotator aus einem transparenten Material wie Saphir gefertigt, könnten damit Proben mit Mikrowellen- oder sichtbarem Licht untersucht werden.Der promovierte Chemiker Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.

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