Ihre Kristalle könnten die Welt der Computer revolutionieren

Nicola Spaldin von der ETH Zürich entwickelt eine neuartige Klasse von Sub­stanzen für ultraschnelle Rechner und winzige Datenspeicher. Jetzt erhält sie den «Schweizer Nobelpreis».

Nicola Spaldins Kristalle könnten die Welt der Computer revolutionieren. Foto: Urs Jaudas

Nicola Spaldins Kristalle könnten die Welt der Computer revolutionieren. Foto: Urs Jaudas

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Nicola Spaldin ist ganz in ihrem Element, wenn sie über ihre Forschung und die Entwicklung neuer Materialien spricht. Schliesslich ist es die älteste Wissenschaft überhaupt. Jeder grosse Schritt der menschlichen Zivilisation, von der Steinzeit über die Kupfer- und Bronzezeit bis zur Eisenzeit, lässt sich auf eine fundamentale Errungenschaft neuer Werkstoffe zurückführen.

Nicht auszudenken, was wäre, wenn die bronzezeitlichen Kulturen nicht die legendäre Kupfer-Zinn-Legierung entdeckt hätten. Wenn die Menschen ­damals nicht herausgefunden hätten, dass durch das Schmelzen der Mineral­erze Bronze entsteht. Dazu brauchte man einen Ofen mit Temperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius. «Viel zu heiss für eine Pizza», sagt die britische ­Forscherin und lacht.

Heute leben wir wegen der weit verbreiteten mikroelektronischen Bauelemente im Siliziumzeitalter. «Doch dessen Ende naht, weil diese Art von Mikrochips zu viel Energie verbraucht und nicht mehr verbessert werden kann», sagt Nicola Spaldin. Immer schneller, kleiner und leichter mit noch mehr Funktionalität ist zudem bald auch nicht mehr möglich.

Deshalb forscht die 50-jährige Professorin der ETH Zürich an einem ­Ersatz und stellt im Labor zusammen mit ihrem Team sogenannte Multiferroika her. Diese neuartige Klasse von Sub­stanzen zeichnet sich dadurch aus, dass sie sowohl auf magnetische als auch auf elektrische Felder reagiert – eine Kombination, die normalerweise nicht vorkommt. Dank dieser besonderen Eigenschaften könnten sich Daten in Zukunft energieeffizienter und gleichzeitig ultra­schnell speichern lassen.

Lady der Multiferroika

«Innerhalb weniger Jahrzehnte wird mehr als die Hälfte der weltweiten ­Energie durch Informationstechnologien verbraucht», warnt Spaldin. Aus diesem Grund brauche es unbedingt eine Alternative für das Silizium, etwa in Computerchips. Man benötige völlig neue Materialien, die ganz anders funktionieren würden als bisher üblich. Kurzum, eine neue Ära.

Spaldin gilt als Pionierin auf diesem zukunftsträchtigen Gebiet. «Meistens kochen wir die Ausgangs­sub­stan­zen­­ in einem Spezialofen bei 2000 Grad ­Celsius, sodass sich dann neue Multiferroika bilden», sagt sie. Einer ihrer Lieblingskristalle ist der Bismutferrit, der aus Bismut, Eisen und Sauerstoff besteht und seine multiferroischen Eigenschaften auch bei Raumtemperatur behält. Im November wird sie für ihre Pionierarbeit auf diesem Gebiet mit dem mit 250'000 Franken dotierten Marcel-Benoist-Preis geehrt. Bundesrat Guy Parmelin wird ihn ihr in Bern persönlich überreichen.

Spaldin ist erst die zweite Frau in der fast 100-jährigen Geschichte des Wissenschaftspreises Marcel Benoist, die diese Auszeichnung erhält. Zuvor wurde sie mit dem Körber-Preis und dem L’Oréal-Unesco-Preis geehrt. Doch sie ist nicht nur eine brillante Forscherin, sondern auch eine sehr engagierte Lehrperson. So wurde sie an der ETH von ihren Studierenden mit dem Preis «Goldene Eule» für exzellente Lehre ausgezeichnet.

In diesem Hightech-Ofen werden Alternativen zum Silizium hergestellt. Foto: PD

Bei unserem Treffen Anfang September in ihrem modernen Büro an der ETH Hönggerberg wird deutlich, wie häufig die umtriebige Wissenschaftlerin an Konferenzen und Tagungen geht. Denn auf ihrem Schreibtisch befindet sich neben zwei klassischen Kristallmodellen, wie man sie aus dem Chemieunterricht kennt, auch eine grosse Glasvase mit ein paar Hundert Badges drin, alles Souvenirs von wissenschaftlichen Veranstaltungen.

Wer sie in ihrem Büro besucht und auf die schwarze Wandtafel blickt, fragt sich, was sie sich jetzt gerade wieder überlegt. Denn dort hat die Chemikerin mit Kreide Formeln, Koordinatenachsen, Differenzialgleichungen sowie ­Integral- und Wurzelrechnungen wild durcheinander hingekritzelt. Alles Resultate von Brainstorming.

Kein Platz mehr für Neues? Nein, antwortet die pragmatische Forscherin, die vor allem am Computer oder auf einem Blatt Papier ihre theoretischen Analysen über das chemische und physikalische Verhalten von Materialien macht. Sie nehme dann einfach statt Weiss eine neue Farbe. Das Blackboard sei ein idealer Ort für kreatives Chaos, das sonst eher zu kurz komme.

Zuerst virtuelle Materialien

Bevor Spaldin 2011 als Professorin für Materialtheorie gemeinsam mit ihrem neuseeländischen Mann Roy Smith nach Zürich an die ETH kam, arbeitete sie in den USA an der University of California in Santa Barbara. 2003 gelang ihr dort zusammen mit der Forschergruppe um Ramamoorthy Ramesh die Herstellung von dünnen Bismutferrit-Schichten ­– dem ersten Multiferroikum, welches heute weltweit von unzähligen Forschern untersucht wird.

Bis zu diesem Durchbruch war es ­jedoch ein einsamer Weg, weil niemand daran interessiert war, dies auch auszuprobieren. Der damalige Erfolg spornt sie bis heute an, weiter nach Materialien mit Eigenschaften zu suchen, die noch nicht existieren oder als nicht kombinierbar gelten. Eines ihrer Ziele ist es nun, einen Supraleiter zu bauen, der Elektrizität ohne Widerstand und bei Raumtemperatur transportiert.

Aufgewachsen ist die ehrgeizige ­Wissenschaftlerin in Sunderland bei Newcastle im Nordosten Englands. «Mein Vater war Bergführer im Nationalpark Lake District», sagt sie. Die Berge waren von klein auf eine Leidenschaft von ihr: Wann immer sie Zeit hat, geht sie auch heute noch wandern, klettern oder Ski fahren.

Nachts am Steilhang

Ähnlich wie in ihrem Beruf wagt sie auch dort einiges. Das Extremste, was sie jemals machte, war zusammen mit einem Kollegen eine dreitägige Klettertour an der Nordwestflanke des Half Dome im Yosemite-Nationalpark. «Wir haben alles mitnehmen müssen, vom Essen und Trinken bis hin zur hängenden Plattform.» Diese hätten sie am Steilhang zum Übernachten befestigt.

Allerdings war dieses Abenteuer noch zu ihrer Zeit als Doktorandin an der University of California in Berkeley. In ihrer Freizeit liebt Spaldin neben Outdoor-­Aktivitäten auch das Musizieren. «Früher habe ich Klavier gespielt», sagt sie und zeigt das alte Piano aus ihrer Kindheit, das nun direkt vor ihrem Büro steht. Jetzt spielt sie vor allem Klarinette und tritt regelmässig mit dem Orchester Accento Musicale Zürich öffentlich auf.

Spaldins geradezu zauberhafte Kristalle können nicht nur die Welt der Computer revolutionieren, sondern auch in der Medizin eingesetzt werden. Die winzigen multiferroischen Partikel werden derzeit unter anderem für die gezielte Medikamentenabgabe mit Mikrorobotern getestet.

«Wir müssen den Schritt aus dem Siliziumzeitalter machen und brauchen dafür neue Materialien als nachhaltige Lösung», sagt sie. Vielleicht folge ja nun eine Multiferroika-Epoche?

Erstellt: 06.09.2019, 18:34 Uhr

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