An der Uni­ver­si­tät Stutt­gart sol­len Mole­kü­le so weit her­un­ter­ge­kühlt wer­den, dass sie ihre Quan­ten­ei­gen­schaf­ten zei­gen. Davon erhof­fen sich die betei­lig­ten For­scher Erkennt­nis­se für die Grund­la­gen­for­schung. Damit die extrem kal­ten Mole­kü­le effek­tiv von der viel hei­ße­ren Umge­bung iso­liert wer­den kön­nen, kommt Tech­no­lo­gie von Pfeif­fer Vacu­um zum Ein­satz. Das Unter­neh­men steht nicht nur der Indus­trie, son­dern auch Kun­den aus For­schung und Ent­wick­lung mit Tech­nik und Bera­tung zur Sei­te.

Ener­gie­wirt­schaft, Trans­port­we­sen, Halb­lei­ter­elek­tro­nik – vie­le Indus­tri­en träu­men vom Supra­lei­ter bei Raum­tem­pe­ra­tur. Mate­ria­li­en ohne elek­tri­schen Wider­stand haben das Poten­zi­al, zahl­rei­che Anwen­dun­gen kom­plett zu ver­än­dern. Bis­her zeigt sich Supra­lei­tung aber erst bei sehr tie­fen Tem­pe­ra­tu­ren um ‑180 Grad Cel­si­us. Wirt­schaft­lich wer­den vie­le Anwen­dun­gen erst, wenn die­se extre­me Küh­lung nicht mehr nötig ist. War­um man­che Mate­ria­li­en bereits bei ver­gleich­bar hohen Tem­pe­ra­tu­ren supra­lei­tend wer­den, ist aber bis­her eben­so wenig ver­stan­den wie die Fra­ge, ob das sogar bei Raum­tem­pe­ra­tur mög­lich sein könn­te. Sicher ist nur, dass es sich um einen makro­sko­pi­schen Quan­ten­ef­fekt han­delt.

Hil­fe beim Ver­ständ­nis die­ser Effek­te ver­spre­chen sich For­scher para­do­xer­wei­se von Anla­gen, die noch nied­ri­ge­re Tem­pe­ra­tu­ren erzeu­gen. An der Uni­ver­si­tät Stutt­gart sol­len bei­spiels­wei­se Quan­ten­ef­fek­te von Mole­kü­len unter­sucht wer­den, die mit­tels spe­zi­el­ler Laser soweit abge­kühlt wer­den, dass ihre Tem­pe­ra­tu­ren nur noch weni­ge Mil­li­ards­tel Grad über dem abso­lu­ten Null­punkt von ‑273,15 Grad Cel­si­us lie­gen. Anders als in bis­he­ri­gen Expe­ri­men­ten sol­len anstatt von Ato­men Mole­kü­le mit Hil­fe von Lasern gekühlt wer­den. Bedingt durch den kom­ple­xe­ren, mole­ku­la­ren Auf­bau ver­wen­den die Stutt­gar­ter For­scher eine vor­ge­schal­te­te Heli­um­küh­lung. 

Hier kommt Tech­nik von Pfeif­fer Vacu­um zum Ein­satz. „Neben der sehr guten Vor­va­ku­um­ver­träg­lich­keit ist die Hip­ace 300 H opti­miert für leich­te Gase wie Was­ser­stoff und Heli­um“, erklärt Fabi­an Frey. Beim Her­stel­ler ist er Markt­ma­na­ger des Kun­den­be­reichs For­schung und Ent­wick­lung. Wäh­rend sei­ne Kol­le­gen meist mit prak­ti­schen Anwen­dun­gen im groß­in­dus­tri­el­len Maß­stab zu tun haben – Halb­lei­ter­indus­trie, Beschich­tung, Auto­mo­bil­bau –, fin­det Fabi­an Frey für For­schungs­ein­rich­tun­gen genau die rich­ti­gen Ange­bo­te an Vaku­um­tech­nik.

Beson­ders den Umgang der Pum­pe mit Heli­um lobt Frey. „Das gehört zusam­men mit Was­ser­stoff zu den anspruchs­volls­ten Gasen, die man pum­pen kann: Die Rück­dif­fu­si­on im Pump­sys­tem ist beson­ders hoch und die Effi­zi­enz ent­spre­chend schlech­ter. Hier ist die Hip­ace Spit­zen­klas­se auf dem Markt“, so Frey.

Die Unter­su­chun­gen der Stutt­gar­ter For­scher die­nen vor allem der Ent­wick­lung neu­er, so genann­ter Quan­ten­si­mu­la­to­ren. Da die Berech­nun­gen von Quan­ten­ef­fek­ten teils so kom­plex sind, dass die­se selbst mit der gro­ßen Rechen­leis­tung aktu­el­ler Super­com­pu­ter nicht mehr simu­liert wer­den kön­nen. In expe­ri­men­tel­len Unter­su­chun­gen wer­den ver­ein­fach­te Model­le in Quan­ten­si­mu­la­to­ren unter­sucht. Die kal­ten Mole­kü­le ver­spre­chen dabei beson­de­re neue Ein­sich­ten. Die Erkennt­nis­se könn­ten am Ende zu neu­en tech­ni­schen Anwen­dun­gen wie Quan­ten­sen­so­ren oder Quan­ten­com­pu­tern füh­ren, sagt Frey. Aber auch für das Ver­ständ­nis der Quan­ten­ef­fek­te in Supra­lei­tern und ande­ren Mate­ria­li­en könn­ten wich­ti­ge Zwi­schen­schrit­te erreicht wer­den. Die Anla­ge, in der die Mole­kü­le beob­ach­tet wer­den, ist nicht groß – nur etwa drei Kubik­me­ter füllt sie aus. Um im Anschluss an die Vor­küh­lung mit Heli­um die benö­tig­ten tie­fen Tem­pe­ra­tu­ren zu errei­chen und zu hal­ten, müs­sen die unter­such­ten Mole­kü­le dort in einem Ultra­hoch­va­ku­um, das von der Pfeif­fer-Vacu­um-Tur­b­opum­pe erzeugt wird, von Lasern und magne­ti­schen Fel­dern ein­ge­fan­gen und gekühlt wer­den. Denn schon der kleins­te Kon­takt mit der Außen­welt wür­de die Mole­kü­le sofort wie­der auf­hei­zen. Auf­grund der gro­ßen Her­aus­for­de­run­gen des Vor­ha­bens hat das aktu­el­le Pro­jekt kei­ne kon­kre­te Lauf­zeit; die For­schungs­grup­pe wird sich meh­re­re Jah­re mit der Grund­la­gen­for­schung beschäf­ti­gen. Fabi­an Frey wird in die­ser Zeit vor­aus­sicht­lich immer wie­der mit dem Kun­den zu tun haben. „Das ist ein kon­ti­nu­ier­li­cher Pro­zess, wir gehen beim Kun­den ein und aus und besu­chen ihn meis­tens, wenn vaku­um­tech­ni­sche Bera­tung gefragt ist“, sagt er. So weiß er lau­fend um den Stand der Pro­jek­te.

Sein Unter­neh­men ist im For­schungs- und Ent­wick­lungs­markt schon lan­ge bekannt, „weil wir dort auch unse­re Wur­zeln haben“, so Frey – schließ­lich ist Pfeif­fer Vacu­um der Erfin­der der Tur­bo­mo­le­ku­lar­pum­pe. Inzwi­schen umfasst das brei­te Pro­dukt­port­fo­lio neben Tur­b­opum­pen auch Vor­pum­pen, Mess­ge­rä­te, Beschich­tungs­an­la­gen, Leck­su­cher und Mas­sen­spek­tro­me­ter. Mit Vaku­um­pum­pen, Mas­sen­spek­tro­me­tern, Druck­mess­ge­rä­ten, Pump­stän­den und Sys­te­men setzt die Uni­ver­si­tät Stutt­gart meh­re­re Pro­duk­te von Pfeif­fer Vacu­um ein, und auch im mul­ti­na­tio­na­len ITER-Pro­jekt, im CERN und im Hei­del­ber­ger Ionen­strahl-The­ra­pie­zen­trum kommt Tech­nik von Pfeif­fer Vacu­um zum Ein­satz.

Natür­lich tra­gen Bran­chen wie Pro­zess­in­dus­trie, Halb­lei­ter­pro­duk­ti­on und Ana­ly­tik mehr zum Umsatz des Maschi­nen­bau­kon­zerns bei als Kun­den aus For­schung und Ent­wick­lung. Doch die F&E‑Kunden arbei­ten an Zukunfts­pro­jek­ten. „Dabei zu sein, macht uns stolz“, sagt Frey. Er sieht die Unter­stüt­zung des Seg­ments auch als Inves­ti­ti­on in die Zukunft des eige­nen Unter­neh­mens – schließ­lich geht es um poten­zi­el­le Anwen­dun­gen für die ande­ren Markt­seg­men­te. So könn­te eines Tages auch die Pro­zess­in­dus­trie davon pro­fi­tie­ren, dass in Stutt­gart Mole­kü­le mit Tech­no­lo­gie von Pfeif­fer Vacu­um ganz nah an den Null­punkt gebracht wer­den.