Research Highlights

Nicht nur für unsere alltägliche Mobilität sind Verkehrsbehinderungen ein Ärgernis, auch für kleinste Teilchen wie Elektronen können diese negative Konsequenzen mit sich bringen. Wollen Physikerinnen und Physiker sehr schnelle Dynamik in der Materie mittels weicher Röntgenstrahlung untersuchen, ist freie Bahn für Elektronen gefordert.

ETH-Forschende haben eine neue Technik zur Ausführung empfindlicher Quantenoperationen mit Atomen demonstriert. Dabei wird das Kontroll-Laserlicht direkt in einem Chip transportiert. So sollte es möglich werden, grössere Quantencomputer zu bauen, die mit eingefangenen Atomen arbeiten.

ETH-Forschenden gelang es, mit Mikrokügelchen aus ungeordneten Nanokristallen ein effizientes Material zur breitbandigen Frequenzverdopplung von Licht herzustellen. Die entscheidende Idee dazu entstand in einer Kaffeepause. Der neue Ansatz könnte künftig in Lasern und anderen Lichttechnologien zum Einsatz kommen.

In einem Material aus zwei leicht gegeneinander verdrehten, dünnen Kristallschichten haben ETH-Forschende das Verhalten von stark wechselwirkenden Elektronen untersucht. Dabei fanden sie einige verblüffende Eigenschaften

ETH-Physiker haben die mit fünf Metern bisher längste Mikrowellen-Quantenverbindung demonstriert. Sie eignet sich sowohl für zukünftige Quantencomputer-Netzwerke als auch für Experimente der quantenphysikalischen Grundlagenforschung.

Ein aufwändiges, internationales Forschungsexperiment zeigt, dass das elektrische Dipolmoment des Neutrons deutlich kleiner ist als bisher angenommen. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass man die Existenz der Materie im Universum mit eben diesem Dipolmoment erklären kann.

Physiker der ETH Zürich haben einen überraschenden Dreh in einem Quantensystem beobachtet, der durch das Wechselspiel zwischen Energiezerstreuung und kohärenter Quantendynamik entsteht. Um ihn zu erklären, fanden sie eine anschauliche Analogie aus der Mechanik.

Die Quantenmechanik ist zwar eine gut etablierte Theorie, doch sie führt auf makroskopischer Ebene zu unlösbaren Widersprüchen. ETH-Physiker schlagen nun vor, das Problem mit Hilfe von neuronalen Netzwerken zu lösen.

In Metamaterialien ist nichts wie sonst: Hartes ist plötzlich elastisch, Weiches leitet Signale, und Schall und Licht verhalten sich sonderbar. Solche Design-​Materialien haben Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen.  

ETH-Forschende haben ein kompaktes Infrarot-Spektrometer entwickelt, das sich auf einem kleinen Chip unterbringen lässt. Damit ergeben sich interessante Perspektiven – im Weltall und im Alltag.

Ein Team aus Physikern und Informatikern der ETH Zürich hat einen neuen Zugang zum Problem der dunklen Materie und dunklen Energie im Universum entwickelt. Mit Hilfsmitteln des maschinellen Lernens programmierten sie Computer so, dass diese sich selbst beibrachten, relevante Informationen aus Himmelskarten zu gewinnen.  

Mit der NMR-Spektroskopie ist es in den letzten Jahrzehnten möglich geworden, die räumliche Struktur von chemischen und biochemischen Moleküle zu erfassen. ETH-Forschende haben nun einen Weg gefunden, wie man dieses Messprinzip auf einzelne Atome anwenden kann.

In der Quantenphysik ist das Vakuum nicht leer, sondern durchdrungen von winzigen Fluktuationen des elektromagnetischen Felds. Diese Vakuum-Fluktuationen direkt zu untersuchen war bislang unmöglich. Forschende der ETH Zürich haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie die Fluktuationen genau charakterisieren können.

An gefangenen Kalziumionen haben ETH-Forscher eine neue Methode demonstriert, mit der man Quantencomputer immun gegen Fehler machen könnte. Dazu stellten sie einen periodischen Schwingungszustand eines Ions her, bei dem die üblichen Limits bezüglich der Messgenauigkeit umgangen werden.

Lichtteilchen «spüren» einander normalerweise nicht, da zwischen ihnen keine Wechselwirkung besteht. ETH-Forschern ist es nun gelungen, Photonen in einem Halbleitermaterial so zu beeinflussen, dass sie einander dennoch abstossen.

Astrophysiker von Universität und ETH Zürich zeigen, wie die Eismonde von Uranus entstanden sind. Ihr Ergebnis deutet darauf hin, dass solche potenziell bewohnbaren Welten im Universum viel häufiger vorkommen, als bisher angenommen.  

Die Quantenmechanik ist eine experimentell bestens abgestützte Theorie. Doch nun führt ein Gedankenexperiment von ETH-Physikern zu unerwarteten Widersprüchen. Der Befund wirft grundsätzliche Fragen auf – und polarisiert auch die Fachwelt.

Um Qubits für Quantencomputer weniger störanfällig zu machen, benutzt man vorzugsweise den Spin zum Beispiel eines Elektrons. ETH-Forscher haben nun eine Methode entwickelt, mit der ein solches Spin-Qubit stark an Mikrowellen-Photonen gekoppelt werden kann.

Beim photoelektrischen Effekt löst ein Photon ein Elektron aus einem Material heraus. ETH-Forscherinnen haben nun mit Attosekunden-Laserpulsen den zeitlichen Ablauf dieses Effekts in Molekülen gemessen. Aus ihren Ergebnissen können sie auf den genauen Ort der Photoionisation schliessen.

In den neuen Quanten-Informationstechnologien müssen empfindliche Quantenzustände zwischen entfernten Quanten-Bits übertragen werden. ETH-Forschern ist es nun gelungen, eine solche Quanten-Übertragung zwischen zwei Festkörper-Qubits auf Kommando zu realisieren.

ETH-Physiker haben einen Quantenkaskadenlaser entwickelt, mit dem schwache Infrarotsignale aus dem Weltall sichtbar gemacht werden können. Die Apparatur kommt zurzeit auf einem Flug des grössten luftgestützten Observatoriums zum Einsatz.

Unter Physikern gilt es heute als ausgemacht, dass Albert Einstein mit seiner Skepsis gegenüber der Quantenmechanik falsch lag. Das bestätigt auch der Big-Bell-Test, an dem sich im November 2016 über 100'000 Menschen auf der ganzen Welt beteiligten.

Mit einem Instrument am «Very Large Telescope» in Chile beobachteten Astronomen der ETH Zürich eine überraschende Vielfalt von Scheiben aus Gas und Staub bei jungen sonnenähnlichen Sternen. Die Daten helfen, die Entstehung von Planeten besser zu verstehen.

Pflanzen können Sonnenlicht mit hoher Effizienz in chemische Energie umwandeln. Wie sie das schaffen, ist bis heute nicht geklärt. ETH-Physiker haben nun ein quantenphysikalisches Modell gebaut, das diese Frage beantworten soll.

Ein von ETH-Physikern geleitetes internationales Forschungsteam hat mithilfe von maschinellem Lernen einem Computer beigebracht, die Ergebnisse von Quanten-Experimenten vorherzusagen. Die Resultate könnten für das Testen zukünftiger Quantencomputer wichtig werden.

ETH-Physiker haben Silizium Wafer entwickelt, der sich bei Anregung durch Ultraschall wie ein sogenannter topologischer Isolator verhält. Damit gelang es ihnen, ein abstraktes theoretisches Konzept in ein makroskopisches Produkt umzusetzen.

In unserer alltäglichen Erfahrung hat der Raum drei Dimensionen. Vor kurzem konnte jedoch in Experimenten ein physikalisches Phänomen beobachtet werden, das nur in vier Raumdimensionen vorkommt. Die theoretischen Grundlagen dazu hat ein ETH-Forscher entwickelt.

Wenn Symmetrien in Quantensystemen spontan gebrochen werden, ändern sich die kollektiven Anregungsmoden auf charakteristische Weise. ETH-Forscher haben nun erstmals solche Goldstone- und Higgs-Moden direkt beobachtet.

Rastertunnelmikroskope können einzelne Atome eines Materials sichtbar machen. Forscher der ETH Zürich haben nun mit einem solchen Mikroskop auch deren Magnetisierung gemessen. Die neue Technologie könnte sowohl in der magnetischen Bildgebung als auch in der magnetischen Informationsverarbeitung Anwendung finden.

Wissenschaft und Computerindustrie setzen grosse Hoffnungen auf Quantencomputer, mögliche Anwendungen beschreiben sie aber meist nur vage. Anhand eines konkreten Beispiels zeigen Wissenschaftler der ETH Zürich nun, was künftige Quantencomputer tatsächlich zu leisten vermögen.

Genaue Messungen der Frequenzen schwacher elektrischer oder magnetischer Felder sind in vielen Anwendungen wichtig. Forscher an der ETH Zürich haben ein Verfahren entwickelt, bei dem ein Quantensensor die Frequenz eines oszillierenden Magnetfelds mit bislang unerreichter Genauigkeit misst.

Mit Hilfe sogenannter Doppel-Frequenzkämme lassen sich Umweltgase schnell und präzise spektroskopisch untersuchen. ETH-Forschende haben nun eine Methode entwickelt, mit der solche Frequenzkämme wesentlich einfacher und billiger als bisher erzeugt werden können.

Lichtteilchen reagieren normalerweise nicht auf Magnetfelder. ETH-Forscher haben jetzt gezeigt, wie man Photonen dennoch mit elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussen kann. In Zukunft könnten mit dieser Methode starke künstliche Magnetfelder für Photonen erzeugt werden.

Der CMS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) des CERN hat am Donnerstag ein neues Herzstück erhalten. Es handelt sich um einen Pixeldetektor, der ähnlich einer Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera bis zu 40 Millionen Bilder pro Sekunde aufnimmt.

Wenn man Materie nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlt, stellen sich mitunter bemerkenswerte Phänomene ein. Zu ihnen gehört auch die Suprasolidität, bei der regelmässige Strukturen und reibungsloses Fliessen gleichzeitig vorkommen. ETH-Forschern gelang es nun erstmals, diesen merkwürdigen Zustand experimentell nachzuweisen.

Theoretische Physiker der ETH Zürich führten intelligente Maschinen bewusst in die Irre und entwickelten damit das maschinelle Lernen weiter: Sie schufen eine neue Methode, dank der Computer Daten kategorisieren können – und zwar auch dann, wenn kein Mensch eine Ahnung hat, wie eine solche Kategorieneinteilung sinnvollerweise aussehen könnte.

Sie sind selbst für Physiker eine grosse Herausforderung: Quantensysteme aus mehreren Teilchen. Denn ihr Verhalten lässt sich nur mit grossem rechnerischen Aufwand berechnen. ETH-Physiker haben nun einen Weg gefunden, wie die Gleichungen elegant vereinfacht werden können.

So unterhaltsam kann Quantenmechanik sein: Wer am 30. November ein paar Minuten Zeit übrig hat für ein Videospiel, hilft tatkräftig mit, eine Grundfrage der Physik zu klären, über die schon Albert Einstein und Nils Bohr gestritten haben. Worum es beim Big Bell Test geht, erklärt ETH-Professor Andreas Wallraff.

Elektronen in Festkörpern können sich zu sogenannten Quasiteilchen zusammentun, die neue Phänomene hervorbringen. ETH-Physiker haben nun bislang nicht identifizierte Quasiteilchen in einer neuen Klasse von Festkörpern untersucht, die aus nur einer atomaren Schicht bestehen. Mit ihren Ergebnissen korrigieren die Forscher eine bisher vorherrschende Fehlinterpretation.  

Junge Planeten werden aus Gas und Staub gebildet. Um herauszufinden, was bei ihrer Geburt genau passiert, simulierten Forschende der ETH Zürich sowie der Universitäten von Zürich und Bern unterschiedliche Szenarien am Schweizer Supercomputerzentrum (CSCS).  

Forschende der ETH Zürich entdeckten eine Besonderheit bei Schwingungen ähnlich jener einer Kinderschaukel. Dadurch gelang es ihnen, ein neuartiges Prinzip zu beschreiben für kleine, hochauflösende Sensoren. Sie meldeten es zum Patent an.

Quantenmechanisch mögliche Energiezustände seiner Elektronen entscheiden darüber, ob ein Festkörper ein Isolator ist oder als Metall elektrischen Strom leitet. ETH-Forscher haben nun theoretisch ein neuartiges Material vorhergesagt, das eine noch nie beobachtete Besonderheit dieser Energiezustände aufweisen soll.

Elektronische Bauteile werden seit Jahren immer schneller und machen damit leistungsfähige Computer und andere Technologien möglich. Wie schnell sich Elektronen mit elektrischen Feldern letztendlich kontrollieren lassen, haben jetzt Forscher an der ETH Zürich untersucht. Ihre Erkenntnisse sind wichtig für die Petahertz-Elektronik der Zukunft.

Das Deuteron – einer der einfachsten Atomkerne, bestehend aus nur einem Proton und einem Neutron – ist deutlich kleiner als bislang gedacht. Zu diesem Ergebnis kommt eine internationale Forschungsgruppe, die Experimente am Paul Scherrer Institut (PSI) durchgeführt hat.

ETH-Forschende haben die Sternbildung in weit entfernten Galaxien untersucht und eine unerwartete Entdeckung gemacht: Ein heute bestehender Zusammenhang zwischen dem Anteil schwerer chemischer Elemente in einer Galaxie und der Rate, mit der in dieser Galaxie neue Sterne entstehen, war vor zehn Milliarden Jahren noch nicht gültig. Diese Beobachtung hilft Wissenschaftlern  aufzudecken, wie über Jahrmilliarden Galaxien mit ihren Sternen und Planeten geformt wurden.

Quantenzustände von Atomen oder Molekülen genau zu kontrollieren, ist seit Jahren ein Traum von Physikern. ETH-Forscher haben jetzt einen Rekord für die Herstellung hoch angeregter Quantenzustände massiver Teilchen aufgestellt. Ihre Technik könnte dazu dienen, Quantencomputer schneller zu machen.

Bei Phasenübergängen, etwa zwischen Wasser und Wasserdampf, konkurriert die Bewegungsenergie mit der Anziehungsenergie unmittelbar benachbarter Moleküle. Physiker der ETH Zürich haben jetzt Quanten-Phasenübergänge studiert, bei denen auch weit entfernte Teilchen einander beeinflussen.

Verschränkungszustände weit entfernter Quantenobjekte sind ein wichtiger Baustein zukünftiger Informationstechnologien. ETH-Forscher haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich solche Zustände tausendmal schneller als bisher erzeugen lassen.

ETH-Forschende untersuchten die Eigenschaften eines Metalls und stiessen dabei auf ein neues Teilchen. Es ist verwandt mit sogenannten Weyl-Fermionen, die der Mathematiker Hermann Weyl vor fast neunzig Jahren voraussagte. Das neue Teilchen hatte Weyl seinerzeit übersehen, und es könnte für zukünftige Anwendungen in der Elektronik interessant sein.

Resonatoren sind ein wichtiges Werkzeug in der Physik. Mit Hilfe von Hohlspiegeln bündeln sie normalerweise Lichtwellen, die dann beispielsweise auf Atome einwirken. Physikern an der ETH Zürich ist es nun gelungen, einen Resonator für Elektronen zu bauen und die damit erzeugten Stehwellen auf ein künstliches Atom zu richten.

In der Staubscheibe um einen jungen Stern hat ein Forschungsteam Strukturen beobachtet, die mit hoher Geschwindigkeit vom Zentrum wegfliegen. Noch ist unklar, um welches Phänomen es sich dabei handelt und wie es zustande kommt.

Im Zentrum der meisten Galaxien steckt ein Schwarzes Loch. Die meisten dieser Schwarzen Löcher haben im Vergleich zu ihrer Galaxie nur wenig Masse. ETH-Forscher haben nun ein besonders massereiches Schwarzes Loch entdeckt. Es ist offenbar so schnell gewachsen, dass die Heimatgalaxie im Wachstum nicht mithalten konnte. Dies stellt bisherige Überlegungen zur Entwicklung von Galaxien infrage.

Dass der Weg von der abstrakten Theorie zur handfesten Anwendung nicht immer weit sein muss, zeigten Sebastian Huber und Kollegen. Ihre mechanische Umsetzung eines quantenmechanischen Phänomens könnte schon bald in der Schallisolierung zum Einsatz kommen.

Astronomen der ETH Zürich haben die Existenz eines jungen, gasförmigen Riesenplaneten bestätigt. Dieser liegt noch immer mitten in einer Scheibe aus Gas und Staub, die seinen Mutterstern umgibt. Damit können Wissenschaftler erstmals die Planetenentstehung in einem sehr frühen Stadium direkt untersuchen.

Aktive Galaxienkerne sind die hellsten Objekte im Universum. Sie leuchten nicht permanent, sondern «flimmern» vielmehr extrem langsam. Diese Erkenntnis von ETH-Forschenden hilft, den Einfluss dieser Kerne und von schwarzen Löchern auf ihre Heimatgalaxie besser zu verstehen.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von ETH-Wissenschaftlern gewann neue Erkenntnisse dazu, wie sich einst aktive Riesengalaxien zur Ruhe setzten und mit der Bildung von neuen Sternen aufhörten.

Diese Woche hat die Dark Energy Survey-Kollaboration die erste Karte über die Verbreitung von dunkler Materie veröffentlicht. Im Interview erklärt Alexandre Refregier, Professor für Kosmologie, der mit seiner Gruppe am Projekt beteiligt ist, weshalb diese Publikation einen grossen Einfluss haben wird und ob sie Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie umstösst.

Im Labor von Jonathan Home halten raumfüllende Apparaturen winzige Ionen gefangen, um diese in spezielle Quantenzustände zu versetzen – vielleicht ein erster Schritt zum Bau eines Quantencomputers.

In Experimenten mit ultrakalten Atomen und Laserlicht haben ETH-Forscher beobachtet, dass sich die Leitfähigkeit beim Fluss durch kleinste Strukturen stufenweise ändert. Dieser Quanteneffekt wurde noch nie bei elektrisch neutralen Teilchen gemessen.

Mit einer Kombination aus Festkörperphysik und Quantenoptik erzeugen ETH-Forscher im Labor neuartige Vielteilchen-Zustände, für die es bisher keine theoretische Erklärung gibt. Die Experimente könnten eventuell ein erster Schritt zur Entwicklung von Quantencomputern auf der Basis von Photonen sein.

Starke Eruptionen auf der Sonne können auf der Erde Kommunikations- und Stromnetze lahm legen. ETH-Physiker zeigen, wie die gigantischen Ausbrüche entstehen, und legen damit einen Baustein für künftige Voraussagen.

In Experimenten mit dem «Wundermaterial» Graphen konnten ETH-Forscher ein Phänomen nachweisen, das ein russischer Physiker vor über 50 Jahren vorhergesagt hatte. Sie untersuchten eine Schichtstruktur, von der sich die Fachleute ungeahnte Möglichkeiten erhoffen.

Über zehn Millionen Dollar bezahlten Google und der amerikanische Rüstungskonzern Lockheed Martin für einen Quantenrechner, von dem man nicht weiss, was er kann. Wie sich solche Geräte richtig testen lassen, hat ein Team unter der Leitung von ETH-Professor Matthias Troyer untersucht und dabei für Wirbel gesorgt.

Eine neuartige Rechenmaschine erregt in der Fachwelt Aufsehen. Handelt es sich dabei um den ersten käuflichen Quantencomputer? Ein Team unter der Leitung von ETH-Professor Matthias Troyer bestätigt nun, dass die Maschine Quanteneffekte nutzt. Schneller als ein herkömmlicher Computer ist sie aber nicht.

Wissenschaftler der ETH Zürich und des PSI haben Hinweise gefunden, dass sich die magnetischen Eigenschaften bestimmter Materialien extrem schnell ändern lassen. Dies ist Grund zur Hoffnung, dass sich aus solchen Materialien in Zukunft ultraschnelle Computerfestplatten herstellen lassen.

Ein neues Gerät am Paranal-Observatorium in Chile liefert detaillierte Bilder zum Farbspektrum von Himmelsobjekten. Wissenschaftler erhoffen sich vom Instrument mit der Bezeichnung MUSE Hinweise auf ein von den Theoretikern postuliertes Netzwerk von fadenförmigen Gasgebilden im All.

Die Entschlüsselung geheimer Information mithilfe der Quantenphysik bewegt derzeit die Medien. Zu wenig Beachtung finde, dass die Quantenphysik auch die Verschlüsselung von Daten revolutioniere, sagt ETH-Professor Renato Renner im Gespräch mit ETH-News.

Ein von ETH-Forschern weiterentwickelter Algorithmus simuliert Hochtemperatur-Supraleitung um ein vielfaches schneller. Das Forschungsteam wird dafür vom US Department of Energy mit Zugang zum Supercomputer «Titan» belohnt.

Die direkte Umwandlung von Wärme zu Strom mit sogenannten thermoelektrischen Materialen könnte zu einer wichtigen Quelle erneuerbarer Energie werden. Physiker stellten nun das Verhalten solcher Materialien präzise nach.

Nicht unerwartet geht der Nobelpreis in Physik an den Briten Peter Higgs und den Belgier François Englert. Indirekt werden damit auch das Cern und mehrere ETH-Forschende geehrt.