Festkörper mit Schönheitsfehlern

TU Graz news: Woran genau arbeiten Sie aktuell? 

Markus Aichhorn: Ich versuche, Computermodelle zu bauen, die Eigenschaften von Materialien simulieren. Ganz konkret arbeite ich gerade daran, das Verhalten von Festkörpern unter wirklich realen Bedingungen abzubilden.

Was bedeutet das?

Aichhorn: Unsere Simulationen zeigen normalerweise idealtypische Bedingungen. Das bedeutet: eine perfekte Umgebung, keine Verunreinigungen im Festkörper, keine Fehler im System. So sieht es in der echten Welt natürlich nicht aus. Wir versuchen, dass unsere Modelle auch berücksichtigen, was Defekte verursachen, welche Störstellen es gibt, wie sich Verunreinigungen auswirken, was passiert, wenn Kristalle schief wachsen und vieles mehr.

Können Sie mir ein Beispiel nennen?

Aichhorn: Ich arbeite häufig mit Oxiden. Die beinhalten Sauerstoff und weil er sehr flüchtig und reaktiv ist, macht ihn das zu einem sehr unangenehmen Element. Er macht viele Dinge, die man nicht will. Typischerweise verschwindet Sauerstoff aus dem Kristall und erzeugt Sauerstoff-Fehlstellen. Aber das passiert nur in einem von 100 Fällen. Daher ist das sehr schwer zu modellieren, weil es ein sehr singulärer Effekt ist.

Ist das das einzige Thema, an dem Sie gerade arbeiten?

Aichhorn: Nein. Ich habe den Luxus, dass ich verschiedene Dinge ausprobieren kann. Zum Beispiel beginne ich gerade mit einem Master-Studenten zusammen, Wissen zu Quantenbatterien aufzubauen. Das ist eine Mikroversion einer Batterie, in der man ein quantenmechanisches System als Energiespeicher nutzt. Hintergrund ist die sogenannte Quantum Supremacy – das bedeutet, dass die Quantenphysik etwas fundamental besser kann als klassische Physik. Auch Quantencomputing gehört dazu.

Ich habe den Luxus, dass ich verschiedene Dinge ausprobieren kann.
(Markus Aichhorn)

Darüber hinaus untersuchen wir auch das Kathodenmaterial von herkömmlichen Batterien, etwa von neuartigen Natriumbatterien. Wohin diffundiert das Natrium, was unterscheidet es von Lithium, welche Effekte hat es? In einer Batterie gibt es viele Elemente, die sich erhitzen, abkühlen, sich bewegen – und das möchten wir simulieren.

Warum interessiert Sie das?

Aichhorn: Gute Frage. Manchmal mache ich Dinge einfach, weil ich sie gut gelernt habe und kann. Wir haben dafür Methoden und wissen, dass sie für das zu untersuchende Material funktionieren. Und dann arbeitet man sich von Forschungsfrage zu Forschungsfrage weiter.

Aber viele Forschungsfragen – wie die Quantenbatterien – stelle ich mir, weil ich sie einfach interessant finde. Weil ich verstehen will, was da los ist.

Wir bewegen uns da im Bereich der Grundlagenforschung oder?

Aichhorn: Ja genau. Ich mache sehr wenig Forschung, für die ich schon eine Anwendung im Kopf habe. Für mich würde das mehr Druck als Freude erzeugen. Und es ist ein Privileg, so forschen zu dürfen.

Spaß und Freude sind wichtig für die Kreativität?

Aichhorn: Auf jeden Fall. Vor allem im PhD lernt man als erstes, das Frustrationsniveau hochzuhalten. Am Anfang funktioniert einmal sehr wenig und damit muss man umgehen können. Aber trotzdem muss die Arbeit in Summe Freude bereiten. Forschungsprojekte sind ein Commitment, teilweise über Jahre hinweg. Wenn das keinen Spaß macht, dann ist es für alle Beteiligten einfach mühsam.

Vor allem im PhD lernt man als erstes, das Frustrationsniveau hochzuhalten.
(Markus Aichhorn)

Warum interessiert Sie prinzipiell diese Art von Physik?

Aichhorn: Zur Physik habe ich immer einen sehr guten Draht gehabt und wusste schon mit 15, dass das mein Weg sein wird. Ich habe am Anfang meines Studiums, wie alle neuen Studierenden, mit der Festkörperphysik wenig anfangen können. 

Junge Leute denken bei Physik als erstes an Astrophysik, Teilchenphysik, Hochenergiephysik, Kosmologie, Gravitationswellen, Biophysik. Und ganz am Ende kommen die Materialien. Obwohl jeder ein Handy in der Hand hat, dessen Touchscreen ein unheimlich spannendes Material ist.

Ich habe am Anfang meines Studiums, wie alle neuen Studierenden, mit der Festkörperphysik wenig anfangen können.
(Markus Aichhorn)

Dann wächst man langsam in das Thema rein und schlussendlich arbeitet der Großteil der Studierenden später in diesem Bereich. Ich finde es unheimlich spannend, dass diese Art von Physik immer die prinzipielle Möglichkeit der Anwendung hat. Wir können unsere Ideen experimentell überprüfen. Nicht ganz so einfach ist das zum Beispiel mit der Quantengravitation, für die es um die 20 verschiedene Theorien gibt, die aber nicht überprüft werden können. Das finde ich sehr angenehm an der Materialphysik. Es ist down to earth.

Können Sie mir einen Ausblick geben, was sich in den kommenden Jahren in Ihrem Forschungsfeld tun wird?

Aichhorn: Das ist bei uns sehr schwer planbar. Fortschritte in unserem Gebiet werden oft durch überraschende, singuläre experimentelle Befunde getriggert. Das war vor vielen Jahren die Hochtemperatursupraleitung, dann kam das Graphen, dann zum Beispiel die Hochdrucksupraleitung. Und immer wieder poppen neue Themen auf, die die Community für mehrere Jahre beschäftigen. Das jüngste Thema sind zweidimensionale Materialien, die sehr flexibel herstellbar sind und auch an unserem Institut erforscht werden. Sie finden Anwendung in der Elektronik und werden sicher noch mehrere Jahre ein wichtiges Thema bleiben. Man muss aber vor allem offen und flexibel bleiben.