Zeitung Heute : Karrieresprünge bis nach Übersee

Junge Physiker aus Berlin haben glänzende Aussichten, in der Forschung weltweit mitzumischen

Heiko Schwarzburger

Jens Förstner ist das, was man gemeinhin einen Exportschlager nennt. Nach seiner Promotion an der TU Berlin flog er 2004 über den Teich und forscht nun an der Universität von Tucson in Arizona. Der 30jährige Physiker fängt Lichtstrahlen ein, als Lichtfalle nutzt er so genannte photonische Kristalle – ein Forschungsgebiet, nicht älter als er.

Seine photonischen Kristalle sind hauchfeine Halbleiterschichten mit dünnen Bohrungen, durchdrungen wie ein Schweizer Käse, fünf Tausendstel eines Millimeters dick. „Durch solche Strukturen lässt sich ein Lichtpuls einfangen, denn er reflektiert an jeder Schicht und kann die Oberfläche nicht mehr verlassen“, sagt der Physiker. „Er kreist im Innern und kann bis zu einer Nanosekunde – also den Billionsten Teil einer Sekunde – gespeichert werden. Das ist für einen Lichtpuls eine kleine Ewigkeit.“

Förstner arbeitet in einem Team, das sich auf numerische Mathematik spezialisiert hat, um physikalische Probleme zu knacken. Seine Forschungen stecken im Computer, in Zahlenkolonnen und Simulationen. „Wenn man in einen photonischen Kristall einen Klecks von einem anderen Halbleitermaterial einbringt, entsteht ein Quantenpunkt“, sagt er. „Dieser Quantenpunkt kann je nach seinen Eigenschaften und der Frequenz des Lichts erhebliche Wechselwirkungen auslösen.“ Wie kleine Pyramiden ragt das Fremdmaterial aus der Schicht, nicht mehr als 25 Millionstel Millimeter stark. Diese Strukturen sind so klein, dass die freie Bewegung der Elektronen behindert wird.

Quantenmechanische Effekte treten in den Vordergrund. „Diese Vorgänge zu verstehen, könnte uns auf dem Weg zu Quantencomputern voranbringen. Die Effekte und Überlagerungen sind so vielfältig, dass ein solcher Computer einem herkömmlichen Rechner, der nur die beiden Zustände Strom und Nicht-Strom kennt, deutlich überlegen wäre.“

Noch geht es um das grundlegende Verständnis, doch später könnten aus diesen Forschungen quantenmechanische Schalter oder Operatoren entstehen. Das mittelfristige Ziel ist es, das Licht möglichst lange im Kristall zu halten, wenigstens einige Nanosekunden mehr.

Bis zu zwei Jahre will Jens Förstner in Amerika bleiben. Er hat sich gut eingelebt, sein Institut steht inmitten von Palmen. Vor den Toren der Stadt lauert die Wüste, die nach einem regenreichen Winter ungewöhnlich farbenfroh blüht. „Nach meiner Arbeit hier möchte ich aber nach Deutschland zurückkehren, um auf diesem jungen Gebiet weiter zu forschen“, sagt er. „Ich würde gern eine Laufbahn an der Universität anstreben, habilitieren oder eine Juniorprofessur finden.“

Die USA sind nicht das einzige Mekka für junge Forscher. Die 32-jährige Physikerin Stephanie Reich zum Beispiel forscht am Newnham College, das zur Universität im englischen Cambridge gehört. Für die junge Frau, die in Berlin geboren und aufgewachsen ist, ergab sich damit eine ideale Chance: Nach ihrem Studium und der Promotion an der TU Berlin ging sie zunächst für ein Jahr nach Barcelona. Um ihr Forschungsgebiet, Nanoröhren aus Kohlenstoff, weiter zu verfolgen, wandte sie sich anschließend nach Cambridge, wo sie als „Grenzgängerin zwischen der Physik und den Ingenieurwissenschaften“ arbeitet, wie sie selbst sagt. „Die Nanoröhren sind hohle Kohlenstoffstrukturen, die selbstorganisiert wachsen, nur wenige Millionstel Millimeter stark. Ich erforsche grundlegende Eigenschaften, um daraus später vielleicht einmal sehr kleine Transistoren zu bauen.“

Bislang sind in den Labors weltweit rund 200 verschiedene Formen dieser Röhren entdeckt worden, die unter verschiedenen Bedingungen von allein wachsen. Das Thema ist in der internationalen Physikerszene ein „Hot spot“ – hier soll bereits in naher Zukunft ein Nobelpreis winken.

Aufgrund ihrer extrem feinen Strukturen könnten elektronische Bauelemente aus Nanoröhren eine neue Runde in der Miniaturisierung von Transistoren und Computerchips einläuten. Damit ließen sich auch dreidimensionale Würfelchips bauen, nicht mehr nur zweidimensionale Scheiben wie bisher. „In unserer Gruppe hier sind ungefähr vierzig Wissenschaftler“, erzählt Reich, die nebenbei weiterhin an der TU Berlin forscht und deshalb einmal im Monat an die Spree fährt. „Wir arbeiten viel mit numerischen Simulationen am Computer, um zu verstehen, wie sich die elektrische Leitfähigkeit der Röhren beeinflussen lässt.“ Im Labor überprüft sie ihre Simulationsergebnisse mit Hilfe der optischen Spektrometrie und Lasern, die sie gezielt auf die Röhrchen schießt. „Obwohl wir an den Grundlagen arbeiten, geht es letztlich um technische Anwendungen“, sagt sie.

Der Erforschung von Nanostrukturen hat sich auch Andreas Wacker verschrieben, Professor an der Universität in Lund. Die Stadt liegt ein Stück nördlich von Malmö, unweit des Öresund, über den sich seit kurzem eine imposante Brücke schwingt, hinüber auf die dänische Seite, nach Kopenhagen. Lund liegt in der schwedischen Kornkammer, ist ein alter Bischofssitz, der Verpackungshersteller Tetra Pak hat dort seine Zentrale. Seit die Brücke über den Sund eröffnet ist, boomt die Region, vor allem Biotechnologie und Nanotechnologie sind im Aufwind. Die Universität hat fast 40000 Studenten und geht bis in das Jahr 1666 zurück, als die Schweden diese dänische Uferseite okkupierten. „Die Uni nimmt beinahe einen ganzen Stadtteil ein“, schätzt Andreas Wacker.

Er hat an der TU Berlin promoviert und sich habilitiert. 2003 kam er nach Lund. „Meine Forschungen zielen darauf, den Stromfluss in sehr kleinen Strukturen zu beschreiben“, sagt er. „Die Quanteneffekte haben dann einen dominanten Einfluss auf den Transport der Elektronen. Die klassische Vorstellung, dass sich die Elektronen wie Kugeln verhalten, funktionieren im Nanobereich nicht mehr. Es treten störende oder nützliche Effekte auf, je nachdem, auf welche Anwendung man hinarbeitet.“

Im Zentrum seiner Forschungen steht die Optimierung von Quanten-Kaskaden-Lasern. Durch seine große Wellenlänge im Infrarotbereich ist ein solcher Laser eine höchst empfindliche Spürnase für Spurengase wie Kohlenmonoxid. „Mein Labor ist der Computer, wir nutzen sehr viele mathematische Hilfsmittel. Ich halte hier die Vorlesung zur theoretischen Festkörperphysik.“ Noch muss er auf Englisch dozieren, „aber ich will so schnell es geht Schwedisch lernen, ich lebe hier mit meiner Familie, unser Sohn geht in den Kindergarten, für Gespräche mit Kollegen oder Bekannten reicht es schon“.

Pläne zur Rückkehr nach Deutschland hegt er nicht, seine Stelle ist unbefristet: „Meine Frau ist hier auch als Physik-Professorin tätig“, sagt Wacker. „Dass wir ein Kind haben und dennoch beide voll wissenschaftlich arbeiten können, das ist in Schweden viel einfacher möglich als in Deutschland.“

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