Die Terminator Technologien

Diese Eigenschaften können genutzt werden, um neue Elektro-Phänomene zum Manipulieren von Flüssigmetall-Legierungen auf der Basis von Gallium und Indium umzusetzen. Galium hat einen Schmelzpunkt von 29 Grad. Und Indium einen Schmelzpunkt von Circa 156 Grad.  Eine Mischung der verschiedenen Elemente könnte dazu führen das man einen Schmelzpunkt bereits bei Raumtemperatur erreicht. Ein solches Gemisch bezeichnet man als Eutektikum. Ein festes Gemenge aus zwei in flüssigen Zustand befindlichen vollständig mischbaren Stoffen der wie ein reiner Stoff bei einer bestimmten Temperatur erstarrt. Erreicht man den eutektischen Punkt, bleibt die Temperatur konstant, und das Gemisch erstarrt als Eutektikum.

Diese daraus resultierenden Änderungen der Oberflächenspannung, des im Wasser befindlichen Gemischs erreicht man schon bei nur einem Volt Spannung. Eine höchst interessante Form der Manipulation. In der Folge wird dies auf zukünftige Technologien großen Einfluss haben. Professor Dickey führt hierzu wie folgt aus: „Wenn Sie die Form verändern können, dann können sie auch die Funktion ändern“. Diese Technologie könnte in Zukunft wegweisend für viele neue Anwendungen sein. Eine zur Selbstreparatur fähige Elektronik, anpassungsfähige Werkzeuge in allen Bereichen, Formen und Größen. Das ganze würde natürlich eine effiziente Steuerung voraussetzen. Eine „künstliche Intelligenz“ wie sie unsere Computer heute noch nicht besitzen.
Auch wenn sich dies zurzeit noch abenteuerlich anhört, erste Ansätze sind schon gemacht.  Der Physiker Josef Pal erforscht zurzeit in Rossendorf, wie unterschiedlich eingestellte Magnetfelder auf Flüssigmetalle wirken. Die Modellversuchsanlagen Arbeiten im Bereich der Magnet-Fluid-Dynamik.
Es geht um die Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern und flüssigen elektrischen Leitern. In diesem Zusammenhang geht es um ein Projekt für die Wiederaufbereitung von Siliziumabfällen aus der Photovoltaikproduktion und den Abfällen die sich aus den Schnitten der gezüchteten Monokristalle ergeben. Die immer dünneren Scheiben, die im Bereich von 180 µm gesägt werden, sorgen auch für einen immer größeren Abfall. Geschnitten wird hier mit allerfeinsten Drähten aus Siliziumkarbid oder Diamant. Dieser Staub bleibt an den Maschinen „haften“. Dieser Rohstoff, der einen enormen Weltmarktpreis erzielt, enthält Verunreinigungen die aus Oxiden, Kohlenstoff und Siliziumkarbid bestehen. Der Umstand dass man diese Fremdstoffe zurzeit nicht wirklich wirtschaftlich trennen kann, führt zu einer Problembeschreibung die es zu lösen gilt.
Und wie sollte es auch anders sein, hier treffen wir wieder auf unsere allgewärtigen Magnetfelder. Aber wie sollten hier Magnetfelder zu Einsatz kommen, wenn das Silizium selbst nicht magnetisch ist?
Dies erklärt uns Sven Eckert ein Wissenschaftler, aus einer Wissenschaftsgruppe in Dresden, der sich mit Grundlagenphysik und Materialkunde  beschäftigt, wie folgt: Quelle: VDI Nachrichten. Artikel von Manfred Schulze: “Um das zu verstehen, muss man sich die Wirkungsweise der Lorentzkraft vor Augen führen”, sagt der Wissenschaftler – und hat auch gleich eine Demonstrationsplatte zur Hand, die er fast senkrecht auf den Tisch stellt. Darauf sind glatte Platten aus Edelstahl, Kupfer und Aluminium nebeneinander geklebt, über die er nacheinander einen runden Magneten gleiten lässt. “Die Metalle sind selbst nicht magnetisch, aber der Magnet rutscht unterschiedlich schnell darauf entlang zu Boden – gebremst durch die Lorentzkraft”, erklärt er. Diese wirkt, sobald ein zeitlich veränderliches Magnetfeld in einem elektrischen Leiter wirkt. Andersherum: Ein Magnetfeld, das sich sehr exakt steuern lässt, kann auch einen elektrisch leitfähigen Stoff in gewünschter Weise bewegen. Besonders gut funktioniert das bei flüssigen Metallen, bei denen sich auf diese Weise berührungsfrei die Strömung beeinflussen lässt.“
 

Foto: HZDR/AIFilm

Die Dresdner haben mit solchen Verfahren schon (eine bis weit in die DDR-Zeit zurückreichende) Erfahrung. In Rossendorf befand sich damals das Kernforschungszentrum der DDR, mit eigenem Forschungsreaktor und einer für damalige Zeit modernen Grundausstattung. Das meiste wurde nach dem Fall der Mauer abgebaut und abgewickelt, das Gelände von der Helmholtz-Gesellschaft übernommen und neue Forschungsbereiche etabliert. “Wir hatten hier aber auch einen Bereich, in dem mit flüssigen Natrium gearbeitet wurde – eben jene Magnet-Fluid-Technologie, die wir heute in ganz anderen Bereichen nutzen”, erinnert Eckert an die Vorgeschichte, die er selbst schon nicht mehr miterlebte. Der Vorteil lag einfach auf der Hand: Die Großgeräte waren vorhanden, das Thema vielversprechend. Der Neustart begann mit fünf Leuten, und natürlich ist das Technikum längst völlig neu ausgestattet.
Etwa mit jenem Stranggussmodell, von dem die Stahlindustrie profitiert. Das Problem lag dabei im Bereich der Kokillen, deren wassergekühlte Kupferwände direkt mit dem flüssigen Stahl in Berührung kommen. Um den Durchsatz zu erhöhen, versuchten die Stahlkocher, die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Stahls in der Kokille zu steigern, was jedoch zu kritischen Zuständen an den gekühlten Wänden durch die entstehenden Wirbel führt. “Man kannte natürlich längst die Möglichkeit, mit Magnetfeldern den kritischen Bereich beim Stranggießen zu steuern, doch war es nur möglich, die notwendigen Anlagen mittels Modellrechnungen zu justieren”, berichtet Eckert.
Das Ergebnis war jedoch nicht voll zufriedenstellend, so dass man in Dresden auf die Idee kam, Sensoren in die Kokillen zu platzieren, um die Wirbel exakt messen zu können. “Natürlich geht das aufgrund der Temperaturen nicht mit Stahl, wir haben dafür kalt schmelzende Legierungen wie Blei/Zinn oder Wismut/Zinn verwendet, die schon bei weniger als 300 °C flüssig sind”, sagt Eckert.
Zwar könne man auch gleich Legierungen verwenden, wie das Gallium/Indium/Zinn, das bei Raumtemperatur silbrig in einer Glasflasche hin und her wabert, aber, so der Wissenschaftler, das sei aus Kostengründen nur bei sehr kleinen Versuchen mit weniger als 10 l sinnvoll.
Wismut/Zinn hingegen wird in Rossendorf gleich in großen Metallbarren gelagert – und nach dem Versuch natürlich recycelt. Inzwischen liegen die Messergebnisse vor, die mathematischen Modelle konnten entsprechend korrigiert werden – als Grundlage für die Nachjustierung an den Gieß-Kokillen.
Nun also das Silizium. Die Rossendorfer Spezialisten wollen auch hier mit durch Spulen induzierten Magnetfeldern die Verunreinigungen, die in Form von Teilchen auftreten, von der Schmelze trennen – wie die Spreu vom Weizen. “Wir werden einen Ofen entwickeln, der mit nur einer einzigen Spule arbeitet, in der aber sich überlagernde Frequenzen nicht nur ein-, sondern mehrere Magnetfelder aufbauen. Sie heizen gleichzeitig das Material und versetzen die Schmelze in eine vorher berechnete Bewegung.
Die Nicht-Silizium-Teilchen werden dabei an den Rand gedrückt, wo sie abgetrennt werden können. Silizium ist zwar ein Halbleiter, aber das nur im kristallinen Zustand. Die Schmelze ist ein Leiter, also funktioniert auch hier die Lorentzkraft. “Wir können mit den Magnetfeldern gleichzeitig heizen, rühren und separieren, und das alles sehr genau und effizient”, hofft Eckert.
Doch noch ist es nicht so weit. Zunächst werden die Helmholtz-Forscher den vorhandenen Ofen des italienischen Siliziumspezialisten Garbo in der Nähe von Mailand inspizieren. Die Technologie muss an den Ofen angepasst werden. Eckert ist trotz der vorgegebenen knappen Platzverhältnisse optimistisch, dass die neue Stromversorgung für die Magnetfeldspule aus Grafit schon bald von der Chemnitzer Firma EAAT gebaut werden kann – und dann auch die Berechnungen zeigen, dass es in der Praxis funktioniert.
Zunächst wird das an einem Demonstrator getestet, der an der Universität Padua stehen soll. Mit einem Beschickungsvolumen von 450 kg Silizium wird er schon so etwas wie ein Prototyp industrieller Anlagen sein. In drei Jahren soll das alles abgeschlossen sein. “Wir können dann – so jedenfalls unsere Zielstellung – für weniger als 10 000 $ Kosten das Silizium recyceln”, meint Eckert. Und fügt hinzu: “Bleibt nur zu hoffen, dass es dann auch in Europa noch eine starke Industrie für die Waferproduktion gibt”.
Autor: Manfred Schulze, Quelle VDI Nachrichten

Fassen wir zusammen, flüssig Metalle werden durch eine angelegte Spannung dazu veranlasst verschiedene Formen anzunehmen. Damit können sie ihre Form und zugleich ihre Funktion verändern. Gallium und Indium selbst sind nicht Magnetisch, aber durch die Lorentzkraft  kann unter gewissen Voraussetzungen eine exakte Steuerung über ein veränderliches Magnetfeld stattfinden und so kann auch ein elektrisch leitfähiger Stoff in der gewünschten Weise bewegt werden. Dies funktioniert besonders gut bei flüssigen Metallen. So lässt sich Berührungsfrei die Strömung beeinflussen.
Das fehlende Element, ist die zu Anfang erwähnte „intelligente“ Steuerung. Mit den derzeitigen Computern ließe sich eine solch Komplexe Aufgabe nicht einmal im Ansatz realisieren.
Es sei denn, man würde auf Technologien setzen die sich selbst noch im Entwicklungsstadium befinden, wie der Quantencomputer. Oder besser gesagt das, was in ihm enthalten sein wird. Wie zum Beispiel der optische Transistor.
Vielleicht wird es dann in einer nicht allzu fernen Zukunft tatsächlich möglich sein, einen Roboter wie den Terminator zu erschaffen. Und es bleibt zu hoffen dass er dann den Namen „positive creator“ trägt.
Lesen sie hier den Artikel über den optischen Transistor:

Ein einziges Lichtteilchen als Schalter
Nr. 54 vom 30. Juli 2014
Stuttgarter Physikern gelingt weiterer Schritt zum schnellen Quantencomputer
Bauelemente, die Licht nutzen, um zu rechnen, könnten zukünftige Computer schneller und energieeffizienter machen. Forscher des Zentrums für Integrierte Quantenwissenschaften und -technologie (IQST) an der Universität Stuttgart haben nun einen wesentlichen Schritt hin zu einem optischen Transistor geschafft: Mit einem einzigen Lichtteilchen können sie einen schwachen Lichtstrahl wesentlich abschwächen. Darüber berichtete jetzt die Fachzeitschrift Physical Review Letters.*)

Visualisierung eines optischen Transistors, den die IQST Forscher in ihrem Experiment realisiert haben. Abbildung: Universität Stuttgart/PI 5

Der Transistor ist das wichtigste Bauelement jedes Computerchips. Dort dient er als winziger elektronischer Schalter. Anders als etwa bei einem Lampenschalter gibt es aber keinen Knopf oder Schieberegler. Vielmehr steuert eine elektrische Spannung den Stromfluss durch den Transistor. Seit Jahrzehnten werden Computer immer leistungsfähiger, da Transistoren immer kleiner werden, sodass Milliarden davon auf einen Chip passen. Doch in rund zehn Jahren werden Transistoren nicht weiter schrumpfen können. Um dann die Leistung von Rechnern weiter zu erhöhen und gleichzeitig ihren Energiebedarf zu senken, müssen neue Technologien entwickelt werden. Weil Licht sich viel schneller bewegt als Elektronen in einer elektronischen Schaltung, könnten künftige Computergenerationen Licht anstelle von Elektronen zum Rechnen benutzen. Neben Leitungen für Licht bräuchte so ein optischer Computer Transistoren, bei denen der Lichtstrom mit Hilfe eines anderen Lichtstromes gesteuert werden könnte, also ein Analogon zu einem elektronischen Transistor.
Für dieses Ziel müssen integrierte Schaltkreise entwickelt werden, die statt mit elektrischem Strom und elektrischer Spannung mit Lichtströmen arbeiten. Doch dabei gibt es ein Problem. Während sich Elektronen wegen ihrer Ladung stark gegenseitig beeinflussen, ignorieren sich die Elementarteilchen des Lichtes, die so genannten Photonen. Für hypothetische Licht-Transistoren bedeutet dies: ein Lichtstrom kann den anderen nicht umschalten.
Physiker suchen daher nach Techniken, die Photonen dennoch dazu bringen, miteinander zu wechselwirken. Forscher des IQST am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart waren dabei nun erfolgreich. Sie haben einen optischen Transistor gebaut. Seine Besonderheit: Die kleinste denkbare Lichtmenge, nämlich ein einziges Photon, beeinflusst einen Strom aus vielen Photonen. Genauer gesagt, schwächt das Photon den Lichtstrom um 40 Prozent. Die Physiker der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe um Sebastian Hofferberth sendeten Laserlicht durch eine sehr kalte Wolke von einigen Zehntausend Rubidium-Atomen. Zum Schalten dieses Lichtstromes benutzten die Physiker ein so genanntes Rydberg-Atom. Das ist ein Atom, das durch Energiezufuhr mit Laserlicht auf das 10000-fache seiner Ursprungsgröße angewachsen ist.
Aufgrund dieser enormen Größe ist die Wechselwirkung zwischen zwei Rydberg-Atomen sehr stark. Eine einzelne Rydberg-Anregung lässt kein weiteres Rydberg-Atom in ihrer Nähe zu und „blockiert“ damit praktisch die gesamte Atomwolke.Solange es in der Wolke kein Rydberg-Atom gibt, reichen die Rubidium-Atome die Photonen des zu steuernden Laserstrahls untereinander weiter, ähnlich wie bei einer Eimerkette. Sobald das Rydberg-Atom in der Wolke präsent ist, wird dieser Transportprozess unterbunden. Die Stuttgarter fanden heraus, dass ein einziges Photon ausreicht um ein Rydberg-Atom zu erzeugen. Bis zu 30 Photonen werden auf diese Weise am Durchqueren der Atomwolke behindert. Unterm Strich bedeutet dies: ein Photon blockiert 30 Photonen.
Dieser Effekt lässt sich im Prinzip für einen Einphotonen-Transistor nutzen, der mit minimalem Energieaufwand einen Lichtstrom schaltet. Damit ließen sich logische Schaltungen für Prozessoren oder für die Datenübertragung per Licht verwirklichen. Hannes Gorniaczyk, Doktorand am Stuttgarter Experiment, sieht noch weitere Anwendungschancen. „Mit unserem Aufbau lassen sich Sensoren für einzelne Rydberg-Anregungen bauen“, sagt der Physiker. Die messbare Abnahme des Lichtstromes bedeutet ja, dass eine solche Rydberg-Anregung vorliegt. Ein solcher Sensor kann also nachweisen, dass ein einziges Photon ein einziges Elektron angeregt hat.
Nun wollen die IQST-Forscher ihr Experiment weiterentwickeln. Ein Ziel ist, das gespeicherte Schalt-Photon unverändert wieder aus der Wolke zu extrahieren. „So wäre es möglich, mehrere Photonen miteinander zu verschränken“, sagt Christoph Tresp, ebenfalls als Doktorand an dem Experiment beteiligt. Verschränkung ist eine enge Verbindung zwischen Quantenobjekten wie Photonen. Sie ist eine entscheidende Ressource für die so genannte Quanteninformationsverarbeitung. Diese weiterentwickelte Form der Informatik nutzt Effekte der Quantenphysik für besonders sichere Verschlüsselungsverfahren oder so genannte Quantencomputer, die bestimmte Rechenaufgaben sehr viel schneller lösen sollen als die leistungsfähigsten herkömmlichen Rechner.
 
*)Originalveröffentlichung:
Hannes Gorniaczyk, Christoph Tresp, Johannes Schmidt, Helmut Fedder, Sebastian Hofferberth: „ Single photon transistor mediated by inter-state Rydberg interaction“, Phys. Rev. Lett. 113, 053601 (2014)
Weitere Informationen:
Sebastian Hofferberth, Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-67460, E-Mail: s.hofferberth (at) physik.uni-stuttgart.de
Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176,
E-Mail: andrea.mayer-grenu (at) hkom.uni-stuttgart.de

Quelle: Hochschulkommunikation

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