Max-Planck-Humboldt-Forschungspreis für neue Quantenmaterialien

Pablo Jarillo-Herrero erhält den Max-Planck-Humboldt-Forschungspreis 2021 für seine Arbeiten zu zweidimensionalen Quantenmaterialien. Der Physiker forscht am Massachusetts Institute of Technology und hat in übereinanderliegenden Schichten von Graphen oder ähnlichen Materialien auch technisch interessante Quanteneffekte entdeckt. Der Max-Planck-Humboldt-Forschungspreis ist mit 1,5 Millionen Euro dotiert und ermöglicht Pablo Jarillo-Herrero ein innovatives Forschungsprojekt mit der Universität Stuttgart und dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.

Mit der Max-Planck-Humboldt-Medaille, die mit einem Preisgeld von jeweils 60.000 Euro verbunden ist, werden Anastassia Alexandrova von der University of California, Los Angeles, und Sumit Gulwani von der Microsoft Corporation in Redmond, USA, geehrt. Anastassia Alexandrova wird für ihre Arbeiten zur rationalen Katalysatorentwicklung und zum Verständnis von funktionellen Materialien ausgezeichnet. Sumit Gulwani hat wesentliche Beiträge in der Software-Entwicklung etwa zur automatischen Programmsynthese geleistet und dabei in jüngster Zeit auch computergestützte Lehrmethoden vorangetrieben. Pandemiebedingt werden die Preise am 3. November 2022 in Berlin gemeinsam mit den Auszeichnungen des kommenden Jahres verliehen.

Der Erfolg der Forschung in Deutschland und weltweit gründet auf der internationalen Vernetzung der Forscherinnen und Forscher. Nur wenn Forscherinnen und Forscher aus aller Welt gemeinsame Wege finden, werden wir die großen Herausforderungen unserer Zeit wie den Klimawandel oder auch die Corona-Pandemie in den Griff bekommen. Der Max-Planck-Humboldt-Forschungspreis leistet hierzu einen großen Beitrag, indem er Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern deutscher und internationaler Forschungsinstitutionen über fünf Jahre lang eine besonders enge Zusammenarbeit ermöglicht“, sagt Bundesforschungsministerin Anja Karliczek. „Wie wichtig das ist, sehen wir jetzt an den Arbeiten und Ergebnissen von Pablo Jarillo. Sie zeigen uns Wege hin zu neuen Bauelementen für verbesserte Magnetresonanztomographen in der medizinischen Anwendung oder auch für das Quantencomputing. Gerade die Quantentechnologien besitzen enormes Potenzial für Wirtschaft und Gesellschaft – das wollen wir erschließen. Wir freuen uns deshalb ganz besonders über diese grenzüberschreitende Kooperation in der Spitzenforschung.“

„In der Quantenwissenschaft werden Grundlagen erforscht, die den Weg für bahnbrechende Zukunftstechnik bereiten. Pablo Jarillo-Herreros innovative Arbeiten zu Quantenmaterialien sind ein Paradebeispiel dafür, wie Forschung uns dazu bringt, unser Weltbild stets neu zu überdenken. Seine Forschung hat das Potenzial, elektronische Bauteile effizienter und Computer schneller zu machen und die Supraleitfähigkeit von Materialien zu erhöhen“, sagt der Präsident der Alexander von Humboldt-Stiftung Hans-Christian Pape. „Pablo Jarillo-Herrero hat mit seiner Forschung an zweidimensionalen Quantenmaterialien ein neues Forschungsfeld eröffnet, in dem künftig viele grundlegende Erkenntnisse sowohl für die Quantenwissenschaft als auch für die Quantentechnologie zu erwarten sind“, sagt Max-Planck-Präsident Martin Stratmann. „Wir freuen uns sehr über die Kooperation, die durch den Max-Planck-Humboldt-Forschungspreis mit Pablo Jarillo-Herrero auf diesem vielversprechenden Gebiet möglich wird.“

Einige der Quantenmaterialien, die Pablo Jarillo-Herrero erforscht, fallen schon optisch auf – durch den Moiré-Effekt: Sie bestehen aus zwei übereinanderliegende Schichten von Graphen oder ähnlichen Substanzen, deren Atome ein regelmäßiges Wabenmuster bilden. Wenn die Schichten gegeneinander verdreht werden, entstehen neue Muster mit größerem Raster. . Allerdings wechseln bei einer Drehung der Schichten gegeneinander nicht nur die optischen Muster der Schichten, vielmehr ändern sich auch die physikalischen Eigenschaften der Systeme. In solchen zweidimensionalen Moiré-Strukturen hat Pablo Jarillo-Herrero Effekte entdeckt, die in der Physik seit einigen Jahren besonders viel Aufmerksamkeit bekommen. So hat er beobachtet, dass die Quantenmaterialien Supraleitfähigkeit und topologische Eigenschaften vereinen können. Durch Supraleiter fließt Strom ohne Widerstand, was bislang vor allem genutzt wird, um besonders starke Magnetfelder zu erzeugen, Magnetfelder etwa im Körper sehr präzise zu messen oder im Quantencomputer logische Operationen vorzunehmen. Topologische Materialien, genauer gesagt topologischen Isolatoren, vereinen leitende und isolierende Eigenschaften. Solche Materialien sind für Bauelemente künftiger Computer und auch für Quantenrechner interessant. Die Kombination von Supraleitung und topologischen Eigenschaften in Moiré-Übergittern eröffnet ganz neue Möglichkeiten, zumal Pablo Jarillo-Herrero auch festgestellt hat, dass sich die supraleitenden Eigenschaften durch ein elektrisches Feld kontrollieren lassen.

In weiteren Experimenten hat der Physiker gemeinsam mit Kooperationspartnern den ersten zweidimensionalen Magneten gefunden. Eine magnetische Ordnung kann sich gewöhnlich nur ausbilden, wenn viele Elektronen oder Atome, die ein magnetisches Moment tragen, in einer dreidimensionalen Struktur zusammenwirken. Pablo Jarillo-Herrero hat jedoch auch in einer einzelnen Lage von vernetzten Chrom- und Iodatomen eine magnetische Ordnung entdeckt und darüber hinaus beobachtet, wie sich diese Ordnung verändert, wenn mehrere Chromiodidschichten übereinander gestapelt werden. Mit seinen Arbeiten an zweidimensionalen Strukturen trägt er dazu bei, Magnetismus, aber auch topologische Eigenschaften und Supraleitfähigkeit besser zu verstehen. Die Quantenmaterialien könnten sich aber auch für besonders empfindliche Sensoren, für eine energieeffiziente Elektronik oder für Quantencomputer nutzen lassen.

Pablo Jarillo-Herrero studierte an der Universität Valencia und an der Universität von Kalifornien in San Diego. Nach seiner Promotion an der Technischen Universität Delft und einer Postdoc-Position an der Columbia Universität wurde er am Massachusetts Institute of Technology zunächst Assistant und später Associate Professor. Inzwischen übernahm er dort die Cecil and Ida Green Professur. Für seine Forschung erhielt Pablo Jarillo-Herrero bereits zahlreiche Preise, darunter im Jahr 2020 sowohl den Oliver E. Buckley-Preis, den renommiertesten Preis für Festkörperphysik in den USA, sowie den Wolf-Preis in Physik.

Sein Forschungsprojekt wird Pablo Jarillo-Herrero am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in enger Kooperation mit der Universität Stuttgart bearbeiten. Dort wird er neuartige Moiré-Schichtsysteme untersuchen. Das umfasst die sehr präzise Herstellung solcher Systeme, die Entwicklung von Stellschrauben, mit denen sich deren Eigenschaften steuern lassen, sowie ihre genaue Charakterisierung mit unterschiedlichen Methoden. So wird er beispielsweise eine Technik nutzen, mit der sich gewissermaßen live verfolgen lässt, wie der Winkel zwischen zwei übereinanderliegenden Schichten deren elektronische Eigenschaften beeinflusst.

Neben Pablo Jarillo-Herrero zeichnen die Max-Planck-Gesellschaft und die Alexander von Humboldt-Stiftung in diesem Jahr Anastassia Alexandrova und Sumit Gulwani aus. Anastassia Alexandrova, die an der University of California in Los Angeles forscht, erhält die Max-Planck-Humboldt-Medaille für ihre Arbeiten in der theoretischen Chemie, insbesondere ihre Studien zur Katalyse chemischer Reaktionen und zur Materialwissenschaft. Die Chemikerin hat unter anderem Methoden entwickelt, die simulieren, wie sich ein Katalysator während einer chemischen Reaktion verhält, welche Strukturen dabei im Detail zwischen den Reaktionspartnern vermitteln und wie die Reaktionsbedingungen, also etwa Temperatur, Druck und Konzentration der Ausgangsstoffe die Zustände von Katalysatoren beeinflussen.

Auf diese Weise wies sie nach, dass sich die Katalysatoroberfläche während einer Reaktion umstrukturiert und dass gerade Strukturdetails, die in dem Katalysator nur selten vorhanden sind, für den Reaktionsverlauf entscheidend sind. Darüber hinaus hat Anastassia Alexandrova dynamische Modelle entwickelt, wie die Art der chemischen Bindung die mechanischen, elektronischen und thermodynamischen Eigenschaften eines Materials beeinflusst. Sie trug zudem wesentlich zum Verständnis und der Modellierung von intramolekularen elektrischen Feldern in Enzymen und deren Rolle bei der enzymatischen Katalyse bei.

Sumit Gulwani, Wissenschaftler bei Microsoft Research in Redmond, erhält ebenfalls die Max-Planck-Humboldt-Medaille. Mit seinem Hintergrund in Programmanalyse und künstlicher Intelligenz prägte der Informatiker das Feld der Programm-Synthese, das sich um 2010 auftat. Der Informatiker entwickelte Algorithmen, die aus wenigen Eingabe-Ausgabe-Beispielen, natürlichen Formen der Benutzerspezifikation oder nur aus dem Kontext von Programmcodes oder Daten effizient Computerprogramme erzeugen können. Seine Arbeit versetzt auch Nicht-Informatiker in die Lage, langwierige, sich wiederholende Tabellenkalkulationsaufgaben zu programmieren, und ermöglicht Produktivitätssteigerungen für Datenwissenschaftler und Entwickler bei der Datenverarbeitung und Softwareentwicklung. Die Instrumente der Programmsynthese nutzt Sumit Gulwani in jüngster Zeit auch in Software für die computergestützte Ausbildung von Schülerinnen und Schülern sowie Studierenden. Ausgehend von der automatischen Korrektur der Arbeit von Lernenden in der Programmierausbildung hat er diese Richtung weiterverfolgt, um Missverständnisse zu erkennen und Lernrückmeldungen sowie Noten zu geben, unter anderem auch in der Mathematik und beim Sprachenlernen.