PDI-Beteiligung an NSF–DFG-DMREF-Initiative zum Atoms-to-Device-Materialdesign

Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) freut sich, seine Beteiligung an einem neu geförderten Projekt mit dem Titel „Atoms-to-Device Closed-Loop Predictive Design of Electro-Optic Materials for Quantum Photonic Circuits" bekannt zu geben.

Das Projekt wird im Rahmen des Programms „Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future" (DMREF) der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) gefördert, über eine gemeinsame NSF–DFG-Partnerschaft, die die kollaborative Materialforschung zwischen Einrichtungen in Deutschland und den Vereinigten Staaten unterstützt. Es ist eines von 25 DMREF-Förderungen, die 2025 vergeben wurden — eine Initiative, die 104 Forschende an 44 Universitäten in 25 US-Bundesstaaten sowie mehreren internationalen Partnern, darunter die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), zusammenbringt.

DMREF geht auf die Materials Genome Initiative (MGI) zurück, die darauf abzielt, intrinsische Materialeigenschaften auf atomarer Ebene vorherzusagen und neue wissenschaftliche Erkenntnisse rasch in fortschrittliche Technologien zu überführen — und so den Weg von der Grundlagenforschung zur praktischen Anwendung zu beschleunigen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat sich dieser integrierte, interdisziplinäre Ansatz aus Theorie, Berechnung und Experiment als äußerst erfolgreich für eine rasche Materialinnovation erwiesen.

Die Übertragung von Materialdurchbrüchen in technologische Lösungen und industrielle Anwendungen wird jedoch häufig durch die sogenannte „Mesoskalen-Klippe" erschwert. Die Leistungsfähigkeit eines Bauelements hängt nicht allein von atomaren Eigenschaften ab, sondern auch von Phänomenen, die auf mittleren, mesoskaligen Längenskalen — von wenigen zehn Nanometern bis zu einigen Mikrometern — auftreten und in prädiktiven Designkonzepten bislang kaum berücksichtigt werden. Diese kritische Lücke zu schließen, bleibt eine der zentralen Herausforderungen der Materialforschung der nächsten Generation.

Das Projekt begegnet dieser Herausforderung, indem es eine grundlegende Wissensbasis für den Einsatz der nächsten Generation kryogener elektro-optischer Materialien schafft, die epitaktisch auf Silizium integriert werden, für chipbasierte photonische Quantenschaltkreise. Zu den vielversprechendsten Kandidaten zählen komplexe Oxide, doch das begrenzte Verständnis ihrer mesoskaligen Eigenschaften bremst den Fortschritt weiterhin. Diese Wissenslücke hat die Bemühungen erschwert, die leistungsstarken Materialien bereitzustellen, die die aufstrebende Quantencomputing-Industrie dringend benötigt, um photonenbasierte Quantenhardware zu realisieren und die technologische Souveränität in diesem Bereich zu sichern.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Venkatraman Gopalan (Pennsylvania State University, USA) wird diese Mesoskalen-Klippe mithilfe eines umfassenden Atoms-to-Devices-(A2D)-Vorhersagerahmens überbrücken, der auf dem Materials-Genome-Ansatz basiert. Das Projekt gliedert sich in drei ineinandergreifende Schwerpunkte:

• Dichtefunktionaltheorie-(DFT)-gestützte thermodynamische Theorie der Elektro-Optik
• Mit Thermodynamik gekoppelte Phasenfeld-Simulationen
• Mit Phasenfeld-Simulationen gekoppelte Elektrodynamik-Simulationspakete zur Erstellung eines digitalen Zwillings physischer Modulatorbauelemente und ihrer Leistungsfähigkeit.

Experimentelle Erprobung und Validierung sind in jeden Schwerpunkt integriert und umfassen die Synthese von Kristallen und Dünnschichten, die Siliziumintegration sowie die strukturelle und funktionale Charakterisierung von der atomaren bis zur Bauelementebene.

Das internationale Team vereint komplementäre Expertise: Prof. Venkatraman Gopalan und Prof. Long-Qing Chen (Pennsylvania State University, USA), Prof. Dibakar Datta (New Jersey Institute of Technology, USA) und Prof. Roman Engel-Herbert (PDI, Deutschland) steuern theoretische und computergestützte Methoden für Elektro-Optik, Phasenfeld- und elektromagnetische Simulationen, Hochdurchsatz-Thermodynamik, First-Principles-Rechnungen sowie KI/ML-Ansätze bei. Diese werden mit modernster Dünnschichtsynthese, Materialcharakterisierung und Prototyp-Bauelementfertigung kombiniert, um einen experimentell validierten digitalen Zwilling über alle relevanten Längenskalen hinweg zu schaffen.

Der elektro-optische (EO-)Effekt — die Änderung des Brechungsindex eines Materials unter einem angelegten elektrischen Feld — bildet die Grundlage moderner optischer Kommunikationstechnologien. Elektro-optische Modulatoren sind nicht nur die Basis der heutigen Internetinfrastruktur, sondern auch zentrale Bausteine für das aufkommende photonische Quantencomputing, optische Verbindungen für Hochleistungsrechner und photonische neuronale Netzwerke. Künftige EO-Materialien und -Bauelemente müssen bei hohen Frequenzen (5–100 GHz), mit extrem niedrigem Energieverbrauch (<1 pJ/bit), bei kryogenen Temperaturen (10–20 mK), mit geringen optischen Verlusten und direkter epitaktischer Integration auf Silizium arbeiten. Entscheidend für diese Vision ist das Erreichen von EO-Koeffizienten über 1000 pm/V — mehr als das 30-Fache des heutigen Industriestandards.

Indem das Projekt die Lücke zwischen atomarem Materialdesign und Bauelementleistung überbrückt, zielt es darauf ab, Leitprinzipien für die Entdeckung und Entwicklung von Materialien der nächsten Generation für Quantentechnologien, Nanoelektronik und Photonik zu etablieren. Die Beteiligung des PDI stärkt seine internationalen Kooperationen und unterstreicht die einzigartige Expertise des Instituts bei der Synthese und Integration strukturell und chemisch unterschiedlicher Materialien mit atomarer Präzision. Das Projekt markiert zudem einen weiteren Schritt hin zu einem digital gestützten Materialinnovationsprozess am PDI, der die weltweit führende Epitaxie-Expertise des Instituts mit datengetriebenem, prädiktivem Design verbindet.

_{Dieser Text wurde mithilfe von KI übersetzt.}