Wie die Materialwissenschaft die Zukunft der menschlichen Zivilisation bestimmen wird

Eines der außergewöhnlichen Merkmale der mikroelektronischen Revolution ist ihre Skalierbarkeit, eine Eigenschaft, die im Moore’schen Gesetz festgehalten wird. Das hat zu einem schnellen und massiven Anstieg der Rechenkapazität geführt – die heutigen Spitzen-Smartphones haben die Rechenleistung der weltweit leistungsstärksten Supercomputer aus den frühen 1990er Jahren. Die Smartphones von morgen werden noch leistungsfähiger sein.



Doch es bahnt sich ein Problem an. Mit zunehmender Verbreitung leistungsstarker Computer wird der Stromverbrauch zunehmen. Wenn sich das Exponentialgesetz von Moore fortsetzt, werden elektronische Geräte innerhalb weniger Jahrzehnte mehr als die Hälfte des Energiehaushalts der Erde verbrauchen.

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Das ist eindeutig nicht haltbar. Was also tun?





Die ferroelektrische Domänenstruktur von Erbiummanganat.

Heute bekommen wir eine Art Antwort von Nicola Spaldin, Materialwissenschaftlerin an der ETH Zürich, in der Schweiz. Spaldin argumentiert, dass Materialwissenschaftler den Planeten retten können, und ihre Lösung wird in Form eines grundlegenden Durchbruchs bestehen, der die Art und Weise verändert, wie wir über Informationstechnologie denken und wie wir sie nutzen. Sie argumentiert in einem äußerst unterhaltsamen Artikel – und weist auf ein oder zwei mögliche Wege für diesen Durchbruch hin.

Spaldin beginnt damit, zu zeigen, wie die menschliche Zivilisation durch Durchbrüche in der Materialwissenschaft geformt wurde. Die Entdeckung von Verbundmaterialien wie Fasern und Harz ermöglichte es Menschen, Klingen an Stöcken zu befestigen, um Messer und Äxte herzustellen.



Die bemerkenswerte Entdeckung von Schmelztechniken, wahrscheinlich in Töpferöfen der Steinzeit, führte in die Bronze- und Eisenzeit. Das führte zu radikalen Veränderungen in der Landwirtschaft und zur Gründung von Städten und sogar Ländern. Die Metalltechnik führte auch zu bedeutenden Veränderungen in der Waffentechnik und schließlich rund 4.000 Jahre später zur industriellen Revolution.

Später führte die Entdeckung des Elektrons zur Entwicklung der Vakuumröhre, des Festkörpertransistors und der Mikroelektronik im Allgemeinen. Das für moderne Elektronik benötigte hochreine Silizium wurde im Zweiten Weltkrieg zunächst für Hochfrequenz-Radarempfänger entwickelt.

Jeder dieser Durchbrüche in der Materialwissenschaft veränderte die Welt und die Art und Weise, wie wir mit ihr interagieren. Aber keiner von ihnen war geplant und viel über die Lebensweise, die ihnen vorausging, ging verloren, als diese Veränderungen stattfanden.

Spaldin argumentiert, dass etwas Ähnliches erforderlich sein wird, um die Silizium-Energiekrise zu überwinden. Wir können mit Silizium nicht weitermachen, also was wird es ersetzen?



Eine Möglichkeit könnte sich aus Spaldins eigener Forschung zu Multiferroika ergeben – Materialien, die sowohl ferroelektrische als auch ferromagnetische Eigenschaften haben. Normalerweise ist die einzige Möglichkeit, die magnetischen Eigenschaften eines Materials zu ändern, ein Magnetfeld. Aber Spaldin und andere haben gezeigt, wie man die magnetischen Eigenschaften von Multiferroika mit elektrischen Feldern verändern kann.

Das hat erhebliche Auswirkungen. Ein Großteil der siliziumbasierten Informationsverarbeitung und -speicherung beruht auf magnetischen Eigenschaften, die mit Magnetfeldern manipuliert werden müssen. Die Fähigkeit, dies mit elektrischen Feldern effizienter zu tun, ist potenziell transformativ. Das Ersetzen der Magnetfelder in unseren bestehenden auf Magnetismus basierenden Technologien durch elektrische Felder bietet enorme Möglichkeiten für Energieeinsparungen, Miniaturisierung und Effizienz, sagt sie.

Multiferroika haben andere nützliche Eigenschaften. In diesen Materialien können sich ferroelektrische Dipole mit unterschiedlichen Orientierungen aneinanderreihen. Ausgerichtete Dipole bilden Bereiche, die Domänen genannt werden, und die Grenzen zwischen diesen Domänen erweisen sich als interessant.

Spaldin sagt, dass diese Grenzen leitende Kanäle bilden, die durch elektrische Felder bewegt und neu angeordnet werden können. Dies hat eine potenzielle Anwendung in neuartigen Speicher- oder Informationsverarbeitungsarchitekturen, sagt sie.

Die Oberfläche dieser multiferroischen Materialien hat auch merkwürdige elektronische Eigenschaften, die manipuliert werden können, um Reaktionen wie die Wasserspaltung zu katalysieren.

Was passiert, wenn die Netzneutralität endet?

Unsere neuen multiferroischen Materialien sind bereit, neue Geräteparadigmen und damit völlig neue Wege der Entwicklung von Technologien zu ermöglichen, sagt sie. Vielleicht treten wir gerade in ein neues Zeitalter der Multiferroika ein?

Vorbei wäre unsere Abhängigkeit von Silizium und stattdessen würden wir von einer Industrie abhängig sein, die Erbiummanganat oder Yttriummanganat oder Wismutferrit und eine neue Generation hochgradig energieeffizienter Informationsverarbeitungsgeräte produziert.

Spaldin hält nicht den Atem an. Es gibt viele Faktoren, die die Zukunft der Technologie bestimmen, und es gibt keine Möglichkeit, vorherzusagen, wie sie sich entwickeln werden. Multiferroika ist eine Möglichkeit, aber es gibt sicher noch viele andere.

Und das ist ihr wichtigster Punkt. Diese Geschichte zeigt deutlich, dass die langfristige Zukunft niemals eine direkte Extrapolation des Heute ist. Stattdessen verändern disruptive Ideen die Welt. Und der Schlüssel liegt darin, ein Umfeld zu schaffen, in dem diese Störung stattfinden kann.

Die Idee, dass Materialwissenschaftler diese Revolution schaffen werden, ist jedoch etwas augenzwinkernd. Es werden natürlich Physiker sein, die die wichtige Arbeit machen (hust).

Sie beendet ihre Argumentation mit einem leidenschaftlichen Plädoyer an Regierungen, Förderstellen und Hochschulleitungen.

Die wahren Durchbrüche, die den Lauf der Geschichte verändern werden, werden nicht aus Initiativen zur Verbesserung bestehender Materialien oder Geräte oder zur Weiterentwicklung bereits identifizierter Technologien resultieren, sagt sie. Stattdessen werden sie von unkonventionellen Einzelpersonen oder kleinen Teams von Grundlagenforschern kommen, die die Grenzen des Wissens in Richtungen verschieben, für die es noch keine Anwendung gibt.

Mit anderen Worten, Grundlagenforschung wird sich in Silberdollar auszahlen – wenn sie sorgfältig gepflegt wird.

Ref: arxiv.org/abs/1708.01325 : Grundlegende Materialforschung und der Verlauf der menschlichen Zivilisation

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