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Die Herrin der Kristalle: Vom Zonenschmelzofen zum Quantencomputer

WIRED Staff 24.11.2017 Lesezeit 3 Min

Der Zonenschmelzofen stellt für die Physikerin Bella Lake Kristalle her. Das könnte künftig Quantencomputern nützen.

Dieser Artikel erschien zuerst in der gedruckten Ausgabe des WIRED Magazins im November 2017 und ist Teil der Rubrik Mensch+Maschine. Hier stellen sich Menschen und ihre außergewöhnlichen Maschinen vor. Wenn ihr die Ersten sein wollt, die einen WIRED-Artikel lesen, bevor er online geht: Hier könnt ihr das WIRED Magazin testen.

„Optische Zonenschmelzöfen stellen Kristalle von besonders guter Qualität her, sogenannte Einkristalle. Man könnte auch Edelsteine wie Rubine produzieren, aber die sind wissenschaftlich nicht sehr interessant. Ich brauche Zonenschmelzöfen, um besondere magnetische Materialien zu erforschen, die teilweise noch niemand untersucht hat – wie Blei-Kupfer-Tellurid.

Diese Verbindung hat einen speziellen Materiezustand, den man als Quantenspinflüssigkeit bezeichnet. Wenn man es auf eine bestimmte Temperatur kühlt, hat normalerweise jedes magnetische Material eine magnetische Ordnung. Das heißt, die Spins der Elektronen zeigen in eine bestimmte Richtung – das würde man als magnetische Kraft spüren, ähnlich wie bei einem Stabmagneten. Bei einer Quantenspinflüssigkeit ist das nicht der Fall, aber das Material hat eine besondere, versteckte Ordnung. Es gibt ein großes Interesse daran, diese Eigenschaften zu erforschen. Die Hoffnung ist, dass sie helfen, Quantencomputer praxistauglich zu machen.

Bella Lake stellt mit dem Zonenschmelzofen Kristalle her.

Um die Materialien richtig untersuchen zu können, brauche ich sie als perfekte Einkristalle. Wenn ein Material nur in Pulverform vorliegt, sind die einzelnen Körnchen jeweils unterschiedlich orientiert, die Anordnung der Teilchen zeigt mal in die eine, mal in die andere Richtung. In einem Einkristall bilden die Teilchen dagegen ein einheitliches Gitter. Indem man aus einem Pulver einen Einkris­tall macht, ordnet man alle Teilchen im Material so, dass man es besser untersuchen kann. Dafür muss man erst das richtige Pulver herstellen.

Die Zutaten kann man bestellen, dann mischt man sie im richtigen Verhältnis, zermalmt und erwärmt sie. Das wiederholt man so lange, bis man das gewünschte Pulver erhält. Jetzt kommt der optische Zonenschmelzofen ins Spiel: Man presst die Pulverprobe zu einem zigarettengroßen Stäbchen zusammen und hängt dieses so in den Ofen, dass es nichts berührt.

Unsere beiden Zonenschmelz­öfen haben jeweils vier Lampen, deren Licht von Hohlspiegeln auf einen Punkt gebündelt wird. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 3000 Grad. Der Brennpunkt bewegt sich nun sehr langsam über die Probe. Dabei schmilzt das Pulver Zone für Zone, kühlt dann ab und kristallisiert wieder. So bekommt man einen großen Einkristall. Damit machen wir dann unsere Experimente.“

Bella Lake ist Physikerin am Helmholtz Zentrum Berlin, Leiterin des Instituts für Quantenphänomene in neuen Materialien. Das Protokoll führte Anna Schughart.