Mit dem Aufkommen von Kryptomining, der Nutzung generativer KI und dem Wachstum des Datenvolumens im Internet ist die Miniaturisierung von Komponenten für Informations- und Kommunikationstechnologie eine große Herausforderung für die Halbleiterphysik. Nanotechnologie und elektronische Bauteile mit räumlicher Begrenzung in einer, zwei oder sogar drei Dimensionen haben eine Vorreiterrolle eingenommen, um diese Herausforderung anzugehen. 

Vom 13. bis 15. November 2024 trafen sich im Physikzentrum über 60 Wissenschaftler:innen aus 15 Ländern, um über neue Konzepte rund um Nanomaterialien zu diskutieren. Das Seminar konzentrierte sich auf Transport und Optik in halbleitenden Nanomaterialien, deren detaillierte Charakterisierung und Modellierung, behandelte aber auch plasmonische Nanomaterialien. 

Im Vordergrund stand dabei insbesondere die Absicht, gemeinsame Probleme von top-down vs. bottom-up synthetisierten Nanomaterialen zu identifizieren, die diese vormals getrennten Gebiete vereint, um dabei gegenseitig voneinander zu lernen. In teils kontroversen und stets unterhaltsamen Diskussionen dazu wurde deutlich, dass es zwar grundsätzlich unterschiedliche Ansichten darüber gibt, was genau Systeme in Confinement (z.B. Quantenpunkte) ausmacht, es aber ein großes beidseitiges Interesse an solchen Materialien gibt, die sich sowohl elektrisch als auch optisch ansteuern und kontrollieren lassen. 

Eine zentrale Diskussion widmete sich der Möglichkeit, monolagige Materialien als Quantenpunkte zu behandeln. Für die Entwicklung von Qubits stellen Isolatoren mit einem Widerstand, der Größenordnungen über dem Quanten-Hall-Widerstand liegt, eine erhebliche Herausforderung dar. Die Schwierigkeit, geeignete Modellstrukturen zu definieren, erfordert die intensive Zusammenarbeit von Theoretikern und Experimentatoren. Interessanterweise weisen häufig die Modellsysteme mit der schlechtesten Definition der Oberfläche die besten Ergebnisse für die berechnete Bandstruktur auf. Mit „Aim2dat“ wurde zudem ein leistungsfähiges High-Throughput-Screening-Tool vorgestellt, das die Materialsuche effizienter gestalten soll. 

Ein weiteres Highlight war die Präsentation funktionalisierter Kohlenstoffnanoröhren als Einzelphotonenquellen, die sogar bei Raumtemperatur funktionieren. Dies könnte eine Schlüsseltechnologie für optische Quantenanwendungen sein. In diesem Zusammenhang wurden realitätsnahe Mechanismen diskutiert, wie der Transport und die Manipulation von Ladungsträgern, die für viele Technologien entscheidend sind. 

Das Seminar hat gezeigt, dass interdisziplinäre Ansätze und enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment notwendig sind, um die Herausforderungen der Materialwissenschaft und Quantenphysik synergetisch zu bewältigen. 

Wir danken der WE-Heraeus-Stiftung für die großzügige finanzielle Unterstützung und die hervorragende Organisation.

Prof. Dr. Christian Klinke, U Rostock 

Prof. Dr. Marcus Scheele, U Tübingen