Neuartige Bauteil- und Systemkonzepte

Im Basisbereich Neuartige Bauteil- und Systemkonzepte bündelt der Fachbereich seine Kompetenzen zu grundlegenden Neuansätzen für elektrotechnische Bauteile und Systeme sowie Methoden und Theorien zu deren Integration.

Aktuelle Forschungsfragen

  • Wie müssen elektrotechnische Bauteile und Systeme gebaut sein, so dass sie nicht nur funktionieren, sondern dies auch energieeffizient tun und den erhöhten Anforderungen der künstlichen Intelligenz gerecht werden?

Wir beschleunigen Vorgänge im Alltag, um schneller und effizienter voranzukommen. Aber wofür braucht die Physik ein Gerät, das speziell Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten bringt?

Es geht um eine neue Perspektive, darum, die uns umgebenden Phänomene anders zu betrachten: Je höher die Energie, also die Geschwindigkeit von Teilchen, desto kleiner die Strukturen, die erforscht werden können.

Wir wissen, dass die Art und Weise, wie wir die Welt verarbeiten, eine ganz besondere ist – und zwar die menschliche. Andere Lebewesen nehmen ganz andere Sinneseindrücke wahr. So etwa Fledermäuse, die mit ihren Ohren sehen können, indem sie Ultraschall von sich geben und die rückkehrenden Echos nutzen, um sich ein Bild von ihrer Umgebung zu machen.

In anderen Worten: Wären wir mit anderen Wahrnehmungsorganen ausgestattet, hätten wir vermutlich eine ganz andere Vorstellung von der Realität.

Als Menschen geben wir uns jedoch nicht mit unserer eigenen Wahrnehmung und den Beschränkungen unserer Sinnesorgane zufrieden. Wir wollen auch darüber hinaus Eindrücke über die Welt ermitteln – und vor allem verstehen, wie sie funktioniert.

Kann man Teilchenbeschleuniger verkleinern?

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen hierfür zum Beispiel Teilchenbeschleuniger. Durch beschleunigte Elektronen bekommen sie einen Einblick auf Strukturen, die für uns sonst nicht zugänglich wären. Etwa bei Röntgenbildern, die durch Röntgenstrahlung, welche durch Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, eine Abbildung des Inneren eines Menschen erzeugen.

Auf Mikrowellen basierende Teilchenbeschleuniger sind sehr groß und daher sehr kostenintensiv. Eine ökonomischere Möglichkeit ist, die Beschleuniger zu verkleinern. Da die Wellenlänge für die Größe der Geräte entscheidend ist, werden für kleinere Geräte kürzere Wellen gebraucht, wie man sie etwa in einem Laser findet.

Eine Hürde die dabei entsteht: Damit die beschleunigten Elektronen nicht verloren gehen, wird herkömmlich mit Magneten gearbeitet, die die Teilchen quasi einfangen und in der Spur halten. Wird ein Teilchenbeschleuniger jedoch zu klein, gibt es keine Magneten mehr, die diesen Job erledigen können.

Mini-Teilchenbeschleuniger

Am Fachgebiet Beschleunigerphysik des Fachbereiches etit der TU Darmstadt wurde eine innovative Lösung entwickelt: Ein laserbasiertes Elektronen-Fokussier- und Beschleunigungsschema. Dieses Schema erlaubt es, nur mit Hilfe der elektromagnetischen Felder des Lasers, die durch eine periodische dielektrische Nanostruktur geformt werden, einen dreidimensional stabilen Beschleunigungskanal zu erhalten.

Mit den Mini-Teilchenbeschleunigern können die Forscherinnen und Forscher, nicht nur neue Strukturen entdecken, sondern auch Prozesse in ihrem Zeitablauf darstellen. Aus einer einzigen Momentaufnahme wird eine Vielzahl aneinandergereihter Momentaufnahmen, die eine Art Film ergeben, durch den wir Vieles besser verstehen, als wir es heute tun.

GBMF fördert ACHIP

Damit hier ein Fortschritt erzielt werden kann, hat die GBMF aus den USA das ACHIP Forschungsprogramm gefördert, an dem auch die TU Darmstadt teilnimmt.