Reise ins Reich des Nanometers

Text: Sven Titz

Der Physiker Piet Brouwer widmet sich als einer der produktivsten und wichtigsten Köpfe seiner Disziplin der Erforschung des Quantentransports und der Festkörpertheorie und kann so zum Beispiel zur Entwicklung superschneller Computerspeicher beitragen. An der Freien Universität Berlin wird er das gerade entstehende Dahlem Center for Complex Quantum Systems leiten.

Ungeheuer klein sind die Dinge, mit denen sich Piet Brouwer beschäftigt. Sie messen kaum mehr als einen Nanometer – das ist ein Millionstel eines Millimeters. Um sich das vorstellen zu können, hilft ein Vergleich: Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie eine Haselnuss zu unserer Erdkugel.

Im Reich des Nanometers funktionieren die Gesetze der klassischen Physik nicht mehr. Stattdessen treten merkwürdige Quanteneffekte auf. So lassen sich zum Beispiel viele Vorgänge nicht vorhersagen, sondern laufen per Zufall ab, etwa der radioaktive Zerfall. Manche Teilchen scheinen sich auch an mehreren Orten gleichzeitig zu befinden – bis man genau hinschaut. Kurz: Man hat es nicht mehr mit der gewohnten festen Materie zu tun, sondern mit wabernden Teilchenwolken. Physiker bezeichnen Systeme an der Grenze zu diesen Quanteneffekten, Systeme, deren Dimensionen im Nanometerbereich angesiedelt sind, als mesoskopisch.

Superschnelle Computerspeicher
Der 37 Jahre junge Niederländer gilt als einer der weltweit führenden Experten für die mesoskopische Welt. Als Humboldt-Professor wird er künftig das Dahlem Center for Complex Quantum Systems an der Freien Universität Berlin leiten, das sich zurzeit in der Gründung befindet. An dem neuen Zentrum sollen theoretische Physiker mehrerer Fachrichtungen zusammenarbeiten, um Fragestellungen aus der Nanowelt und benachbarten Forschungsgebieten nachzugehen. Die Erwartungen an die Theoretiker sind hoch: Wer die Physik der mesoskopischen Systeme begreift, besitzt das Wissensfundament für die neuesten Techniken der Nanoelektronik.

Als Beispiel für seine Forschung nennt Brouwer die Entwicklung superschneller magnetischer Speicher für Computer. Derzeit werde unter Fachleuten nach einem Kompromiss zwischen einer Festplatte und einem Arbeitsspeicher gefahndet. Man möchte Informationen dauerhaft aufbewahren können wie auf einer magnetischen Festplatte, aber auch blitzschnell darauf zugreifen können wie auf einen flinken Arbeitsspeicher. Mit den nanomagnetischen Materialien, die für den gewünschten Speicher infrage kommen, kennt sich der Niederländer bestens aus.

Traum von industriellen Nanobauteilen
Auch für die Herstellung von Computerprozessoren könnte Brouwers Arbeit in Zukunft wichtig werden – dann nämlich, wenn die Miniaturisierung weitergeht wie bisher und in einigen Jahren bei der Produktion die Grenze zur mesoskopischen Welt überschritten wird. Dann werde man die Computerprozessoren gänzlich anders konstruieren müssen als heute, sagt Brouwer. Mit den theoretischen Grundlagen setzt er sich schon jetzt auseinander.

Ein weiteres Forschungsfeld Brouwers sind die Eigenschaften von „Graphen“. So bezeichnet man eine Grafitschicht, die aus wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht und eine Dicke von nur einem Kohlenstoffatom besitzt. In der Fachwelt wird derzeit diskutiert, ob man diese Substanz für nanoelektronische Bauteile verwenden kann. „Könnte man Graphen industriell herstellen, so wäre das ein Traum“, sagt der Wissenschaftler. Mit physikalischer Grundlagenforschung will er dazu beitragen.

Auf die Physik war Brouwer nicht von Anfang an festgelegt. Als er sein Studium aufnahm, war er sich nicht sicher, ob er lieber Mathematiker oder Physiker werden wollte – also belegte er beide Fächer. Bei der Arbeit in Laboratorien für experimentelle Physik kam der Student schließlich auf den Geschmack. Methodisch ist Brouwer ein Theoretiker geblieben, beschäftigt sich nun aber nur noch mit Dingen aus der Praxis.

Was zieht ihn, der seit 1999 in den USA arbeitet, nach Berlin? Die ausgezeichneten Bedingungen an der Freien Universität und die brillanten Kollegen sind zwei der Gründe für seinen Umzug. „Hier forscht es sich mindestens so gut wie in den USA“, findet Brouwer. In Deutschland sei man weniger darauf angewiesen, kurzfristig Projektmittel einzuwerben, und es gebe mehr Raum für Grundlagenforschung als anderswo. Auch sei die Ausbildung der Physiker an den Universitäten hervorragend, lobt er und will künftig kräftig daran mitwirken.