Herzlich willkommen bei Talk Science to Me, dem Wissenschaftspodcast der TU Graz. Heute haben wir schon die zweite Folge der Staffel zum Thema Grundlagenforschung. Zu Gast ist heute Anna Galler, die als theoretische Physikerin 2D-Materialien untersucht.

Talk Science to Me: Herzlichen Dank, dass du heute da bist und meine Fragen zur Grundlagenforschung beantwortest und zu deiner Arbeit im Allgemeinen. Könntest du dich bitte vorstellen: Wer bist du, was machst du, was ist deine Arbeit?

Anna Galler: Ja, danke mal für die Einladung. Ich bin Anna Galler und ich bin theoretische Festkörperphysikerin. Ich arbeite am Institut für Theoretische Physik – Computational Physics an der TU Graz erst seit Jänner 2024. Ich habe an der TU Wien technische Physik studiert. Dort habe ich schon meine Dissertation in dem Bereich gemacht, das ist im Bereich der theoretischen Festkörperphysik. Dort habe ich hauptsächlich an Methodenentwicklung gearbeitet, also neue Methoden, theoretische Methoden zu entwickeln, mit denen wir dann Materialien besser beschreiben können. Genauer gesagt, die elektronische Struktur von bestimmten Materialien. Und nachher war ich dann für einen ersten Postdoc an der École Polytechnique in Paris, in Frankreich. Dort habe ich mich so ein bisschen mehr verlagert, nicht mehr so sehr an Methodenentwicklung gearbeitet, sondern an jetzt wirklich Materialien. Das waren vor allem magnetische Materialien, zum Beispiel in jedem Elektromotor braucht es einen Permanentmagneten oder in jedem elektrischen Generator, was natürlich momentan wichtig ist mit der Entwicklung von Elektroautos oder Windturbinen. Oder auch an den optischen Eigenschaften von Materialien habe ich gearbeitet, an Pigmentmaterialien, Farbpigmenten. Ja, das war mein erster Postdoc in Paris. Dort hatte ich eine Förderung vom Österreichischen Wissenschaftsfonds. In dem Projekt ging es eben um diese Farbpigmente. Das Projekt war dann zwei Jahre an der Ecole Polytechnique und dann hatte ich eine Rückkehrphase an der TU Wien. Und nachher, also bevor ich nach Graz gekommen bin, die letzten zwei Jahre war ich in Hamburg am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie. Und dort habe ich mir hauptsächlich angeschaut, wie Quantenmaterialien mit Licht wechselwirken. Dort gibt es ja auch das DESY, das Elektronen-Synchrotron, und den European X-File, also den freien Elektronen-Laser. Und dort werden viele Experimente in diese Richtung gemacht. Also wie kann man Materialien mit Licht untersuchen und wie reagieren Materialien auf starke Lichtpulse?

Talk Science to Me: Warum ist das wichtig?

Galler: Das ist einerseits wichtig, um die Eigenschaften von der Materie auf atomarer Ebene aufzulösen. Wie in einem Mikroskop, wo das mit dem Licht vergrößert wird. Und am Synchrotron sind das einfach viel kleinere Wellenlängen. Also man kann viel kleinere Bausteine der Materie anschauen. Und man kann sich auch anschauen, wie sich das auch dynamisch anschaut. Also wie eine chemische Reaktion, wie läuft die ab auf extrem kleinen Zeitskalen.

Talk Science to Me: Du hast vorher schon erwähnt, du bist theoretische Festkörperphysikerin. Da sind für mich jetzt zwei Fragen drinnen. Was ist ein Festkörper?

Galler: Es gibt ja die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig, und wir befinden uns im festen Materiezustand. Und ein Festkörper setzt sich aus einer Einheitszelle, also aus einem Baustein zusammen, der sich immer periodisch fortsetzt, also regelmäßig. Vielleicht könnte man das erklären so mit natürlichen Mineralien, Kristalle oder Bergkristallen oder so. Dort spiegelt sich die Form, die Symmetrie von dieser Einheitszelle auch in der Form von diesen Kristallen wieder.

Talk Science to Me: Sind die immer so regelmäßig oder gibt es da auch unregelmäßige?

Galler: Es gibt auch unregelmäßige Festkörper, aber die, mit denen ich mich beschäftige, die haben wirklich so eine regelmäßige Struktur. Und dann in Wirklichkeit gibt es natürlich Unregelmäßigkeiten. Also der Festkörper hat im Großen gesehen diese periodische Struktur, diese schöne Einheitszelle, aber dann gibt es Fehlstellen zum Beispiel oder andere Elemente, die da eingedrungen sind.

Talk Science to Me: Und die haben Auswirkungen auf den Festkörper?

Galler: Die haben Auswirkungen, zum Beispiel auf die elektrische Leitfähigkeit oder auch auf die Farbe von Festkörpern. Also in so natürlichen Mineralien oder auch in diesen Pigmentmaterialien sind das sehr oft so Farbzentren, also zum Beispiel Seltene-Erde-Metalle oder Übergangsmetalle, da gibt es nur einzelne in dem Festkörper, aber die geben die Farbe. Das ist sehr oft der Fall.

Talk Science to Me: Also diese Defekte machen dann eigentlich die Eigenschaft?

Galler: Ja, kann man so sagen. In dem speziellen Fall.

Talk Science to Me: Und die zweite Frage, die für mich da drin steckt, ist theoretische Physik. Was ist das genau?

Galler: Die Physik ist natürlich eine empirische Wissenschaft. Und im Grunde wollen wir das beschreiben, was wir so empirisch messen können im Experiment. Aber dann, um das zu beschreiben, entwickeln wir Theorien. Und dafür verwenden wir normalerweise die Sprache der Mathematik. Und das ist das, womit wir theoretischen Physiker uns beschäftigen. Also um Theorien zu entwickeln, um diese Experimente zu beschreiben. Um zu beschreiben, was man da sieht. Was man sieht oder was man messen kann dann.

Talk Science to Me: Wie kann ich mir deine tägliche Arbeit vorstellen, wenn du theoretisch arbeitest, wenn du Methoden entwickelst?

Galler: Ja, so meine tägliche Arbeit, also ich beschäftige mich erstmal viel damit, was der aktuelle Stand der Forschung ist. Dafür lese ich Papers, Artikel, ich lese, was andere Wissenschafter, Wissenschafterinnen in meinem Feld gerade so machen. Versuche herauszufinden, was so die spannenden, die drängenden Fragestellungen sind und versuche herauszufinden, was ich da beitragen könnte. Also: Wie groß ist die Magnetisierung in dem Material, wie groß ist die magnetische Anisotropie. Ich arbeite direkt mit Experimentalphysik*innen zusammen. Manchmal ist es so, dass ich Materialeigenschaften vorhersage, sozusagen durch meine Simulationen. Und Experimentalphysiker*innen testen das im Labor oder oft messen Kolleg*innen etwas im Labor und wir versuchen das zu erklären. Und das ist natürlich spannend, weil das passt oft nicht im ersten Versuch überein und da muss man sich überlegen, was könnte da dafür der Grund sein und weiterentwickeln die Theorie.

Talk Science to Me: Du bist jetzt für die nächsten vier Jahre mit einem sehr speziellen Projekt beschäftigt. Was kannst du mal darüber erzählen?

Galler: Also das Projekt, das ist ein FWF-Projekt, ein Elise-Richter-Projekt. Und in dem Projekt geht es hauptsächlich um zweidimensionale Materialien. Du kennst vielleicht Graphen, das ist so ein zweidimensionales Material. Und es ist extrem dünn, besteht meistens nur aus einer Lage an Atomen oder mehrere Lagen, nur einzelne Monolagen oder ein, zwei Lagen, ein, zwei, drei Lagen an Atomen.

Talk Science to Me: Im Gegensatz zu wie vielen Lagen, die andere Materialien haben?

Galler: Was ich vorher versucht habe zu erklären vom Festkörper: Die Einheitszelle ist normalerweise dreidimensional und die wird in alle drei Dimensionen fortgesetzt. Das ist wirklich ein dreidimensionales Objekt. Schlussendlich bestehen die zweidimensionalen Materialien sozusagen nur in zwei Dimensionen und in der dritten Dimension sind sie extrem dünn - normalerweise eine Lage an Atomen oder zwei. Mein Projekt setzt sich mit ähnlichen Materialen auseinander, das aber nicht Graphen ist, sondern Übergangsmetall. Die Kalkogenide die sind auch so Monolagen. Und diese Übergangsmetalle, die haben normalerweise eine Bandlücke und sind Halbleiter und sind deswegen natürlich interessant für alle elektronischen Bauteile wie Transistoren und Dioden. Und diese zweidimensionalen Materialien sind halt vielversprechend auch für zukünftige elektronische Bauteile. Erstens, weil sie so extrem dünn sind. Man könnte dann extrem flache Transistoren bauen zum Beispiel. Dadurch, dass die zweidimensional sind, sind die Bindungen vor allem in der Ebene und die sind dann sehr stark und flexibel in der zweidimensionalen Ebene und man könnte das dann verwenden zum Beispiel um flexible Elektronik zu bauen, zum Beispiel so wearable electronics, für Anwendungen in der Medizin. In meinem Projekt ist der Plan, dass ich mich mit diesen Materialien auseinandersetze, dass ich Theorien entwickle, um diese Materialien zu beschreiben. Dabei geht es bei mir vor allem um die elektronische Struktur dieser Materialien. Erstmal sind die Materialien jetzt Leiter oder Halbleiter? Und was haben die für magnetische Eigenschaften? Was haben die für optische Eigenschaften. Und dazu schaue ich mir auch in Zusammenarbeit mit Experimentalphysiker*innen an, wie diese 2D-Materialien mit Lichtwechsel wirken. Da geht es einerseits darum die elektronischen Eigenschaften dieser Materialien zu verstehen, also wie schnell reagieren die Elektronen in dem Material auf einen Laserpuls zum Beispiel und wie bewegen sich die Elektronen in dem Material. Und andererseits geht es dann auch so in Richtung von, wie schnell reagieren diese Materialien auf Lichtpulse, kann man die mit Lichtpulsen steuern, kann man da sehr ultraschnelle Elektronik draus machen eventuell.

Talk Science to Me: Also da geht es dann nicht mehr nur darum, die Materialien mit Licht zu untersuchen, sondern tatsächlich auch zu verändern und zu aktivieren.

Galler: Genau, man kann sich das so vorstellen, wenn man jetzt einen schwachen Lichtpuls auf ein Material schickt, ist das erstens mal nur, um das Material anzuschauen sozusagen. Aber wenn man mit sehr starken Licht darauf scheint, dann kann man auch die Materialeigenschaften verändern. Dann bilden sozusagen die Elektronen in dem Material und das Licht ein stark gekoppeltes System und das kann auch die Eigenschaften von dem Material verändern.

Talk Science to me: Geht es dir in dieser Forschung primär darum, diese Materialien zu verstehen oder gehst du da in Richtung Anwendung?

Galler: Meine Forschung ist wirklich Grundlagenforschung. Mir geht es in erster Linie darum, die Materialien zu verstehen. Um die Materialien irgendwann anwenden zu können, muss man sie ja normalerweise verstehen. In meinen Simulationen starte ich von den elementaren Bausteinen der Materialien, also Atome, Ionen und Dielektronen, die diesen Festkörper, dieses Gitter formen und die Wechselwirkung zwischen diesen elementaren Bausteinen. Das ist die Coulomb-Wechselwirkung und da spielt die Quantenphysik eine wichtige Rolle. Da geht es wirklich darum zu verstehen, wie diese Elektronen, diese elementaren Bausteine, zusammen wirken und daraus Eigenschaften, die wir jetzt beobachten können, entstehen. Zum Beispiel warum das Material rot oder grün ist. Oder warum es Strom leitet. Oder eben nicht. Und es ist spannend zu untersuchen, warum das so ist. Oft geht ea auch darum, dass in so einem Festkörper ja unheimlich viele Eltektronen wechselwirken. Und ich interessiere mich speziell für komplizierte Materialien, also sozusagen Quantenmaterialien. Das sind Materialien, wo die Elektronen, die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Elektronen eine wichtige Rolle spielt. Wenn man die nicht gut beschreiben kann, dann bekommt man nicht die richtigen Eigenschaften für das Material heraus. Man braucht Viel-Teilchen-Methoden, also recht komplizierte theoretische Methoden, um diese Materialien beschreiben zu können. Durch diese Wechselwirkung entstehen neue emergente Phänomene . Das Ganze ist dann immer mehr als die Summe der Teile. Ein Wald ist mehr als alle einzelnen Bäume. Und zum Beispiel können sich die Elektronen in einem Material so verhalten, dass das Material supraleitend ist. Oder es kann auch sein, dass ein Material durch die Wechselwirkung zwischen den Elektronen isolierend wird. Also die Elektronen, die stoßen sich ja gegenseitig ab in der Coulomb-Wechselwirkung. Und dann kann es sein, dass sie sich gegenseitig blockieren, dass sie dann auf diesen Gitterplätzen von dem Kristallgitter sitzen sozusagen und nicht mehr so mobil sind. Und das ist dann ein Isolator im Vergleich zu einem Metall, wo sich die Elektronen gut frei bewegen können.

Talk Science to Me: Du hast es zwar schon erwähnt, das sind sehr komplizierte mathematische Methoden, das ist ein sehr komplexes Gebiet. Was fasziniert dich daran? Wie bist du da dazugekommen?

Galler: Mich fasziniert die Genauigkeit der Mathematik. Mir gefällt es, wenn sich so ein logisches Bild ergibt von einem Phänomen, wenn ich das irgendwie erklären kann. Schon in der Schule schon hat mich sowas fasziniert. Zum Beispiel auch, wie wir in der Chemie das Periodensystem ordnen.

Talk Science to Me: Also hast du die Ordnung in den Festkörpern ein bisschen.

Galler: Auch die Ordnung in den Festkörpern, die Ordnung insgesamt in der Physik, in den Phänomenen, die wir so beobachten. Wir versuchen, Ordnung reinzubringen und alles auf möglichst wenige Prinzipien zurückzuverfolgen.

Talk Science to Me: Ist das etwas, das sich in deinem Charakter widerspiegelt?

Galler: Also ich bin schon genau, aber es gibt beides in meinem Charakter. An den Materialien interessiert mich auch, dass die so vielfältig sind, dass es immer etwas Neues zu entdecken gibt. Aber so diese Neugierde und das Neues entdecken, das ist schon ein wichtiges Thema für dich. Wenn ich zu lange an derselben Sache arbeite, dann wird mir schnell langweilig. Ich möchte immer gern Neues machen, Neues verstehen. Und die Neugierde ist schon, was mich antreibt in der Forschung. Und auch die Hoffnung, im Idealfall ein nützliches Material zu entdecken oder in der Theorieentwicklung. Ich möchte mit dem, was ich mache, dazu beizutragen, dass es in Zukunft bessere und energieeffizientere Materialien gibt.

Talk Science to Me: Und du hast dich ja während deines Studiums nicht mit einer Richtung zufrieden gegeben oder?

Galler: Es hängt wahrscheinlich mit meiner Neugier zusammen, dass es mir schwerfällt, mich auf einen Spezialbereich zu konzentrieren. Ich habe mich nicht nur für Naturwissenschaften, sondern auch für geisteswissenschaftliche Fächer interessiert und davon vor allem für Philosophie. Das erste, das wir im Philosophieunterricht durchgenommen haben, waren die griechischen Naturphilosophen vor Sokrates. Die haben sich auch schon mit Fragestellungen auseinandergesetzt, mit denen wir uns heute noch auseinandersetzen also besteht die Materie aus elementaren unteilbaren Teilchen? Oder ist die Materie kontinuierlich und lässt sich unendlich oft teilen? Oder was sind Raum und Zeit? Ist der Raum leer, würde auch ohne Körper die im Raum sind bestehen oder ist es nur das Verhältnis zwischen den Körpern? Da gibt es auch bei Aristoteles in der Physik sehr viele Überlegungen. Ich habe dann in Wien angefangen Physik zu studieren, aber habe mich einfach auch für Philosophie eingeschrieben und immer ein paar  Vorlesung gemacht, die mich wirklich interessiert haben. Und dann irgendwann auch den Bachelor abgeschlossen.

Talk Science to Me: Und du hast ja dann auch Sub auspiciis promoviert.

Galler: Ja, das habe ich. 2017 an der TU Wien.

Talk Science to Me: War das ein Ziel, das du dir gesteckt gehabt hast?

Galler: Nein, das war kein Ziel. Ich habe natürlich schon immer fleißig gearbeit, aber das hat sich so ergeben. Das hängt vielleicht ein bisschen damit zusammen, dass es mich immer wirklich interessiert, wie die Dinge funktionieren. Und daraus haben sich die guten Noten ergeben und schlussendlich auch die Sub-Auspiciis-Promotion.

Talk Science to Me: Gibt es irgendeine Thematik, irgendein Problem, das du gerne im Laufe deiner Forschungskarriere lösen möchtest?

Galler: Jetzt so ganz konkret nicht. Was mich aber sehr interessieren würde oder was ich auch angehen möchte, sind komplizierte, also stark korrelierte Quantenmaterialien, 2D-Quantenmaterialien im Nichtgleichgewicht. Das ist ein sehr kompliziertes Problem. Man hat erstens ein kompliziertes Material, wo die Elektron-Elektron-Wechselwirkung alles Mögliche machen kann, alle möglichen Phasen induzieren kann. Und dann scheint man noch einen starken Laserpuls da drauf.  Andererseits, aber das kann man nicht so planen, wäre der Traum natürlich, ein Material zu finden, das nützlich sein kann.

Talk Science to Me: Hast du irgendeine Idee, in welche Richtung das gehen könnte?

Galler: Ein neues Batteriematerial zum Beispiel.

Talk Science to Me: Und gibt es in deinem Fachbereich in vielleicht absehbarer Zukunft irgendwo eine Entwicklung, auf die du dich jetzt besonders freust?

Galler: Ja schon. Dass die Methodenentwicklung weiter voranschreitet und die Rechenstärke von Supercomputern. In meiner Forschung verwende ich Supercomputer, damit ich so komplizierte Phänomene wie Quantenmaterialien im Nichtgleichgewicht beschreiben kann.

Talk Science to me: Danke für das Interview.

Galler: Gerne.

Vielen Dank, dass ihr zugehört habt. In der nächsten Folge spreche ich mit Markus Osiander, der sich mit ultrakurzen Zeiteinheiten beschäftigt.