Ein ERC-Grant ist die renommierteste Auszeichnung für herausragende europäische Forschungsprojekte. Ein Team mit drei Forschenden aus dem ETH-Bereich hatte sich ebenfalls um ein solches Stipendium beworben. Nun erhielten sie den von der EU unterzeichneten Vertrag, der die ausserordentlich hohe Fördersumme von 14 Millionen Euro bestätigt.

Um das Verständnis der Quanteneigenschaften von Materialien zu vertiefen, haben vier hochkarätige Forschende einen ERC Synergy Grant über 14 Millionen Euro erhalten, der vom Europäischen Forschungsrat (ERC) der Europäischen Union vergeben wird. Das Team besteht aus drei Forschenden in der Schweiz sowie einem weiteren in Schweden: Gabriel Aeppli am PSI, Henrik Rønnow an der EPFL, Nicola Spaldin an der ETH Zürich und Alexander Balatsky an Nordita, Universität Stockholm.

Nächste Stufe erklimmen in der Informationsrevolution

Ziel der gemeinsamen Forschung ist es, «versteckte» Quanteneigenschaften in bekannten Materialien aufzudecken, also Eigenschaften, die mit bisher eingesetzten Methoden nicht sichtbar gemacht werden konnten. Die Wissenschaftler planen zudem die Entwicklung neuer Materialien mit massgeschneiderten Quanteneffekten. Solche Effekte könnten in Zukunft zur Verarbeitung, Übertragung und Speicherung von Daten genutzt werden und so zum Rückgrat der zukünftigen Elektronik werden, die schneller, kleiner und energieeffizienter werden muss.

«Es ist äusserst wichtig, dass wir diese Forschung jetzt angehen», sagt Gabriel Aeppli, Photonenforscher am PSI. «Die heutige siliziumbasierte Informationstechnologie beruht immer noch auf Prinzipien, die vor rund 70 Jahren entdeckt wurden. Dadurch stossen wir an die Grenzen des Machbaren, insbesondere in Bezug auf Geschwindigkeit und Energieeffizienz», so Aeppli weiter. «Wir müssen in der Informationsrevolution nun die nächste Stufe erklimmen und mehr Nutzen aus Quanteneffekten ziehen.»

Nicht selbstverständlicher Platz im im ERC-Fördersystem

Da die Schweiz kein EU-Mitglied ist, ist ihr Platz im ERC-Fördersystem nicht selbstverständlich. Derzeit ist die Schweiz voll angegliedert und in der Schweiz tätige Forschende sind mit ihren Anträgen auf ERC-Stipendien besonders erfolgreich.
Im Zusammenhang mit dem nun vergebenen ERC Synergy Grant arbeiten die drei Foschenden in der Schweiz alle im ETH-Bereich. Das erleichterte es ihnen erheblich, ihre Fachkompetenz zusammenzuführen, sagt Henrik Rønnow, Neutronenforscher an der EPFL.

Die vier Experten, die sich jetzt zusammenschliessen, werden das Feld deutlich voranbringen, so Rønnow weiter: «Jedes Mal, wenn wir zusammensitzen, stellen wir fest, dass wir alle sehr unterschiedliche Blickwinkel haben, aber oft auf das Gleiche schauen. Schon in der Vergangenheit bin ich durch die Unterhaltungen mit den anderen dreien auf neue Ideen gekommen, wie ich die Dinge, die ich selbst suche, besser finden kann. Ich freue mich daher sehr auf den Ausbau dieser Zusammenarbeit.»

Versteckte Eigenschaften von Quantenphänomenen entdecken

Was die Wissenschaftler unter «versteckten» Phänomenen verstehen, lässt sich mit einer Analogie erklären: «Stellen wir uns eine grosse Fläche vor, die aus blauen und gelben Pixeln besteht», sagt Nicola Spaldin, theoretische Chemikerin und Materialwissenschaftlerin an der ETH Zürich. «Aus der Ferne sieht sie grün aus, aber wenn wir genauer hinsehen, entdecken wir zusätzliche Informationen – in diesem Fall die Art und Weise, wie Blau und Gelb so angeordnet sind, dass sie die grüne Farbe ergeben – die ebenso offensichtlich wie versteckt ist.» Spaldin fährt fort, dass im Falle von Quantenphänomenen versteckte Eigenschaften alles andere als trivial zu finden sind. «Darum brauchen wir die fortgeschrittenen Analyseinstrumente der Grossforschungsanlagen am PSI, um sie zu entdecken.»

Versteckte, verschränkte und resonante Ordnungen

Der vierte Wissenschaftler im Team, Alexander Balatsky von Nordita, Universität Stockholm, ist theoretischer Physiker. Um die Wichtigkeit des gemeinsamen Forschungsprojekts zu verdeutlichen, schlägt er einen historischen Bogen: «Wir sprechen von der Steinzeit, der Bronzezeit, der Eisenzeit und sagen, dass die Menschheit sich derzeit im Siliziumzeitalter befindet. Als nächstes wird ziemlich sicher das Quantenzeitalter kommen – aber welches Quantenmaterial wird es werden? Zum jetzigen Zeitpunkt müssen wir viele mögliche Materialien untersuchen; es braucht Pferde, damit es ein Rennen geben kann. Und am Ende hoffen wir natürlich, dass eines unserer Materialien das Rennen gewinnt.»

Die Forschenden gaben ihrem gemeinsamen Forschungsprojekt den Namen HERO, eine Abkürzung für «Hidden, entangled and resonating orders» – zu Deutsch: «Versteckte, verschränkte und resonante Ordnungen». All dies sind wichtige Quanteneigenschaften, mit denen sie sich befassen werden, um mögliche Materialien der Zukunft zu entdecken. Dazu werden die herausragenden Forschenden die verschiedenen Grossforschungsanlagen des PSI nutzen, um Untersuchungen durchzuführen, die sich gegenseitig ergänzen, sowie auf die Rechenleistung des Swiss National Supercomputing Centre CSCS zurückgreifen, dem nationalen Hochleistungsrechenzentrum der ETH Zürich in Lugano.