#LiNo16’s Young Scientists: The American Delegation

As a field of study, physics aims to answer the big questions of how and why our universe behaves as it does. History is filled with fundamental discoveries from countless brilliant minds, from Newton’s laws of motion to the detection of gravitational waves by LIGO scientists.

But as one question becomes answered, many more pop up in its place that remain open. Do more than four spacetime dimensions exist? What is dark energy and dark matter? How will the universe come to an end?

Ready to tackle these important puzzles and more are the future generations of young physicists — 400 of which will gather on the historic island of Lindau next week for the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting. These promising scientists-in-training from around the world will have the opportunity to learn from the 30 esteemed Nobel Laureates in attendance, as well as meet and mingle with one another.

The American delegation consists of 38 undergraduates, PhD students, and post-doc researchers who share a passion for uncovering the hidden mechanisms of our world. They come from both coasts and almost everywhere in between, with NASA’s Goddard Space Flight Center in Maryland having the highest representation of three young scientists coming to Lindau. Massachusetts Institute of Technology, Johns Hopkins University, Stanford University, the University of Chicago, Florida State University, and the University of Kansas each have two delegates.

“I’m really excited about the meeting and looking forward to how broad of a background that everybody there will have,” said Johanna Palmstrom, an applied physics PhD candidate at Stanford University in California. “I’m so focused on my little niche, so it will be great to talk to the young scientists about what I’m doing as well as the Nobel Laureates.”

 

Johanna Palmstrom

Johanna Palmstrom

For her dissertation research, she studies high-temperature superconductivity in the lab of Ian Fisher. A month ago, Palmstrom and her colleagues released a report titled “Ubiquitous signatures of nematic quantum criticality in optimally doped Fe-based superconductors” that was published by the journal Science. Her research focus at Stanford pivoted early on from biophysics, which she worked on during her undergraduate years at the University of California, Santa Barbara, to condensed matter physics.

Her career ambitions involve continuing to do benchwork in a lab, whether that be in academia or government. Palmstrom’s lab experience goes all the way back to her childhood, seeing that her father was a materials science professor.

“My dad would take me to Bring Your Daughter To Work Day, I would play around with his model crystal structures, and I thought that was amazing and very cool,” said Palmstrom. “I loved all my science classes but decided on physics because it had the most math out of the three — I really loved it and kept going.”

Jessica Avva, who will attend the University of California, Berkeley starting the second year of her physics PhD studies, also had the inspiration to study physics from a very young age — in particular, the field of cosmology.

 

Jessica Avva

Jessica Avva

“I’ve been fascinated by space since visiting the Smithsonian National Air and Space Museum in Washington, DC as a child,” said Avva. “Space, to me, is the most obvious way that we can see our place in the greater context of the universe, and this universe is one that I want to figure out.”

Her childhood fascination has turned into a full-fledged career, as she now studies the cosmic microwave background to help unlock some of the greatest mysteries of the early universe. Currently, Avva works on the 3G camera instrumentation for the South Pole Telescope located at the Amundsen-Scott South Pole Station in Antarctica. The experiment, taking place at the southernmost place on Earth, hopes to place constraints on the physics behind inflation and make the most precise measurement of the sum of the neutrino masses.

She received a National Science Foundation Graduate Student Research Fellowship this year and has won a number of awards for her work as an undergraduate at the University of Chicago. Avva’s hope is to one day develop novel instrumentation techniques to access data from cosmological eras that have yet to be explored, such as the epoch of reionization, “21 cm cosmology,” and cosmic neutrino background observations.

Similarly, Alexander Ji decided to pursue astrophysics because he believes it will likely answer some of the most fundamental questions out there. While initially attracted to particle physics as a Stanford University undergraduate, he changed his mind after the Nobel Prize in Physics was awarded to Adam Riess, Brian Schmidt, and Saul Perlmutter for their discovery of the accelerating expansion of the universe.

 

Alexander Ji

Alexander Ji

“I feel very fortunate that I may have a chance to interact with them,” said Ji, currently a 4th year PhD candidate at the Massachusetts Institute of Technology. “What really attracted me to this conference, though, is the opportunity to meet young scientists from all over the world.”

He studies one of the least understood periods of time — the so-called “cosmic dawn” when the first stars and galaxies turned on — by examining the chemical content of stars in nearby dwarf galaxies. Earlier this year, Ji was notably the first author of a paper published by the journal Nature titled “R-process enrichment from a single event in an ancient dwarf galaxy.” Outside of his research pursuits, he coordinates a Galaxy Discussion Group at the MIT Kavli Institute and mentors middle school and MIT physics undergraduate students.

As a theoretical physicist, Grant Remmen investigates some of the most mysterious and fundamental concepts in our understanding of the universe, such as black holes and dark energy. He has worked on problems that lie at the nexus of cosmology, quantum field theory, general relatively, and particle physics.

“I’ve always been excited about high-energy physics — especially quantum gravity — because it involves the most extreme situations in the Universe: the interiors of black holes, spacetime and particles at the smallest scales, and the Big Bang,” said Remmen, a PhD candidate at the California Institute of Technology.

 

Grant Remmen

Grant Remmen

Remmen has reached significant milestones in his still-early career, such as being awarded a National Science Foundation Graduate Research Fellowship, a Hertz Foundation Graduate Fellowship, the Caltech John Stager Stemple Memorial Prize in Physics, as well as a number of honors during his time as an undergraduate at the University of Minnesota. He has written numerous publications, including a recent paper titled “Quantum gravity constraints from unitarity and analyticity” published by the journal Physical Review D earlier this year.

“Physics is humanity’s quest to understand the universe. What we’ve discovered is that the laws of physics and the mathematics governing how reality works are actually beautiful and elegant structures, with intricate symmetries and patterns,” he said. “Mankind has been amazingly successful in this journey so far, able to comprehend and predict phenomena ranging from the subatomic to the cosmic, but there is still far to go and more beauty ahead.”

Tamás Vámi interviews Scientific Chairman Lars Bergström

Professor Lars Bergström is one of the two scientific chairmen of the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting (alongside Prof. Rainer Blatt). The theoretical physicist from the University of Stockholm is a member of the Physics Section fo the Royal Swedish Academy and also serves as a deputy board member of the Nobel Foundation. His interviewer, Hungarian Tamás Vámi, is a particle physicist at CERN and one of almost 400 young scientists taking part in this year’s Lindau Meeting.

 

Tamás: Lars, you are one of the two scientific chairmen of this year’s Lindau Meeting. What can we expect from the scientific programme of #LiNo16?

Lars Bergström: I think we will see a vibrant programme with many memorable talks. Of course it is especially gratifying that the most recent Physics Laureates are present, and that also many Laureates in Chemistry contribute to the programme. Taken as a whole, this year we will have excellent overviews of diverse scientific areas from the persons who were instrumental in creating them. 

 

Tamás: There are many candidates for Dark Matter. Which model is closest to your heart, which is the one that is the most promising in your opinion?

Lars Bergström: This is a difficult question. Experience tells us that in science it is not always good to “fall in love” with a particular theoretical model. I think the answer is at the moment in the hands of our brilliant experimentalists, and we have to keep an open mind and see what they find. Weakly interacting massive particles (WIMPs) and axions belong to the most studied dark matter candidates, but nature could be more subtle.

 

Tamás: Dark Energy is one of the biggest mysteries of our days. There are many theories about it, but what are the experimental methods of studying it?

Lars Bergström: The thing that distinguishes dark energy from dark matter is that dark matter is gravitationally attractive, whereas dark energy on the contrary is repulsive. This means that the expansion of the universe, which would slow down if there was only matter present, will instead accelerate. This accelerated expansion can be seen on very large length scales as it e.g. makes distant supernovas dimmer than they would otherwise appear. It seems, however, to be very difficult to see effects of dark energy locally, such as in the solar system.

 

Tamás: 2016 is certainly a very exciting year for science: The LIGO experiment announced the detection of gravitational waves and there is a sign of new physics at the LHC with the “750 GeV bump”. How do you think these announcements could affect your field? (eg. gravitational waves – dark energy connection?, 750 GeV bump – dark matter connection?)

Lars Bergström: I do not think it will affect either the modeling of dark energy, or enter the explanation of the tentative 750 GeV resonance. However, a new subfield of astroparticle physics and cosmology will likely be created: gravitational astronomy. Here one would study some of the most extreme events happening inside and outside our galaxy, like the merger of neutron stars or of black holes. This is an unchartered area where many surprises may be hiding.

 

Tamás: Are there any possible breakthroughs in Science that you wish to live to see? What is it and why do you think it is important?

Lars Bergström: Having worked for three decades with the dark matter problem, the identification of the particle constituting dark matter would be highest on my wish list. Then there are many areas of quantum physics, like quantum communication or quantum computing, where breakthroughs may happen that could even change our everyday lives. But of course many discoveries and inventions have been total surprises, and maybe that is how progress will be made. The young scientists at #LiNo16 live at a time when they can make use of past achievements to make such breakthroughs – if they just remember to be bold and creative, like the Laureates were that they will get in touch with here in Lindau! 

 

Tamás: How do you see the role of the individual vs. collaborations in Science?

Lars Bergström: Collaborations are of course made up of individuals, and in physics we often need very large collaborations to make progress, e.g. in particle physics or cosmology. Fortunately, for the Nobel Prizes in Physics, it has so far been possible to identify at most three persons that were crucial for the awarded discovery or invention, and hopefully that will be possible, although perhaps more difficult,  in the future.

Die Genies werden älter

Als Lawrence Bragg im Jahr 1915 den Nobelpreis für Physik erhielt, war er gerade mal 25 Jahre alt. Die preisgekrönte Arbeit – die Erforschung von Kristallstrukturen mittels Röntgenstrahlen – hatte er schon zwei Jahre zuvor im Alter von 23 Jahren durchgeführt. Damit bestätigt er eine bekannte Aussage von Albert Einstein:

Wer noch keinen großen Beitrag zur Wissenschaft geleistet hat bevor er 30 Jahre alt ist, wird das niemals tun.

Der große Physiker ist selbst ein weiteres Beispiel. Auch Einstein hat die spezielle Relativitätstheorie entwickelt, bevor er 30 Jahre alt war; ebenso wie die 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung zum photoelektrischen Effekt.

Werden die wissenschaftlichen Durchbrüche aber tatsächlich alle von jungen Forscherinnen und Forschern gemacht? Benjamin Jones und Bruce Weinberg vom National Bureau of Economic Research in Cambridge haben diese Frage untersucht (“Age dynamics in scientific creativity“, PNAS 108/47, 2011). Ihre Analyse basiert auf der Arbeit der Nobelpreisträger in den Kategorien Physik, Chemie und Medizin in der Zeit von 1901 bis 2008. Sie bestimmten das Alter, in dem die jeweiligen Wissenschaftler ihre preisgekrönten Arbeiten durchgeführt haben und fanden, dass Einsteins Aussage über die “jungen Genies” nicht ganz aus der Luft gegriffen ist. Allerdings nur für die Vergangenheit.

Das durchschnittliche Alter, in dem Physiker eine Entdeckung machten, die später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, liegt bei 37,2 Jahren. Bei den Chemikern sind es 40,2 Jahre und bei den Medizinern 39,9. Vergleicht man aber die ganz frühen Preisträger (die ihre Entdeckungen vor 1905 gemacht haben) mit den späteren (deren Forschung nach 1985 durchgeführt wurde), dann zeigen sich deutliche Unterschiede. In der Medizin liegt das Durchschnittsalter zum Zeitpunkt der großen Entdeckungen in der frühen Phase bei 37,6 Jahren und bei 45 Jahren in der späten Phase. In der Chemie ist der Unterschied mit 36,1 zu 46,3 Jahren noch ausgeprägter und die größten Unterschiede sieht man in der Physik, wo die Preisträger früher ihre Entdeckungen mit 36,9 Jahren machten, später aber im Durchschnitt 50,3 Jahre alt waren.

Seit der Jahrtausendwende machen die Entdeckungen von unter 40jährigen in der Physik nur noch 19 Prozent aus; früher waren es 60 Prozent. Unter den Chemikern wurden im 21. Jahrhundert sogar überhaupt keine Entdeckungen ausgezeichnet, die von unter 40jährigen Wissenschaftlern gemacht wurden (während es früher noch 66 Prozent waren).

 

Nobel Laureate Peter Doherty giving advice to young scientist Julia Nepper at the 65th Lindau Nobel Laureate Meeting.

Nobelpreisträger Peter Doherty mit Nachwuchswissenschaftlerin Julia Nepper bei der 65. Lindauer Nobelpreisträgertagung.

Über die Gründe für diese Altersverschiebung bei den wissenschaftlichen Durchbrüchen lässt sich derzeit nur spekulieren. Vermutlich liegt es daran, dass es heute einfach mehr zu lernen gibt als früher. In der Physik fand in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die Entwicklung der Quantenmechanik eine Revolution statt, an der besonders viele junge Wissenschaftler (zum Beispiel Albert Einstein, Paul Dirac oder Werner Heisenberg) beteiligt waren. Junge Wissenschaftler, die vielleicht gerade deshalb einen Vorteil hatten, weil sich die Quantenmechanik so sehr von der zuvor gelehrten und erforschten klassischen Physik unterschied. Es spielte kaum eine Rolle, ob sie sich ausführlich mit der “alten” Wissenschaft beschäftigte oder nicht. Junge Wissenschaftler konnten direkt in die neue Physik einsteigen und auch ohne Vorwissen große Beiträge leisten.

Das Bild des brillanten jungen Wissenschaftlers, der bedeutende Entdeckungen macht, ist immer weniger aktuell,

fasst Bruce Weinberg die Ergebnisse zusammen. Im Durchschnitt bekommt man heute einen Nobelpreis für Forschung verliehen, die im Alter von etwa 48 Jahren durchgeführt worden ist.

All die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich in den nächsten Tagen wieder in Lindau einfinden um dort mit den Nobelpreisträgern über ihre Forschung zu diskutieren, haben also noch genug Zeit. Wer es dennoch eilig hat, sollte sich auf theoretische Forschung verlegen. Denn, wie Jones und Weinberg ebenfalls herausgefunden haben: Theoretikern gelingen ihre großen Durchbrüche im Durchschnitt 4,4 Jahre vor den Experimentalwissenschaftlern.

Geniuses are getting older

Lawrence Bragg was barely 25 when he was awarded the Nobel Prize in Physics in 1915. The research for which he received the award – his work on analyzing crystal structures using x-rays – had been completed two years earlier when he was only 23. With this achievement he confirmed a famous observation by Albert Einstein:

A person who has not made his great contribution to science before the age of 30 will never do so.

The great physicist himself is also proof of this: Einstein developed the special theory of relativity and completed his work on the photoelectrical effect, for which he was awarded the Nobel Prize in 1921, before he turned 30.

But are all scientific breakthroughs really made by young researchers? Benjamin Jones and Bruce Weinberg from the National Bureau of Economic Research in Cambridge have studied this question (“Age dynamics in scientific creativity”, PNAS 108/47, 2011). Their analysis is based on the work of Nobel Laureates in the categories of Physics, Chemistry and Medicine or Physiology between 1901 and 2008. They determined the age at which the scientists carried out their award-winning research and confirmed that while Einstein did not pluck his statement about ‘young geniuses’ out of thin air, his observation was only valid in the past.

The average age of physicists who were awarded the Nobel Prize in later years was 37.2. The corresponding age for chemists is 40.2 and 39.9 for medical researchers. Clear differences can be observed when the very early Laureates (who made their discoveries before 1905) are compared with the later ones (whose research was carried out after 1985). In medicine, the average age of scientists when they made major discoveries in the earlier period is 37.6, and 45 in the later period. At 36.1 and 46.3 years respectively, the gap is even bigger in chemistry. The biggest gap can be observed in physics: the earlier Laureates in this discipline made their discoveries at an average age of 36.9 years while their later counterparts were 50.3 year of age on average.

Since the turn of the millennium, only 19 percent of the award-winning discoveries were made by physicists under the age of 40; this age group had previously accounted for 60 percent of such discoveries. In chemistry, no scientist under the age of 40 has been awarded Nobel Prize in the 21st century (66 percent of the chemistry laureates before the year 2000 were under 40).

 

Nobel Laureate Peter Doherty giving advice to young scientist Julia Nepper at the 65th Lindau Nobel Laureate Meeting.

Nobel Laureate Peter Doherty giving advice to young scientist Julia Nepper at the 65th Lindau Nobel Laureate Meeting.

At present, it is only possible to speculate about this shift in the age at which scientists achieve such breakthroughs. It is probably due to the fact that scientists simply have a lot more to learn now than before. Thanks to the development of quantum mechanics, physics underwent a complete revolution in the first half of the 20th century. A large number of young scientists, in particular, were involved in this development, for example Albert Einstein, Paul Dirac and Werner Heisenberg. The young scientists were, perhaps, at an advantage here precisely because quantum mechanics was so different from the physics previously taught and researched. Whether or not these young scientists had studied the “old” science in detail was of little or no importance. They were able to get involved directly in the new physics and make major contributions without such preliminary knowledge.

The image of the brilliant young scientist who makes important discoveries is less and less valid today,

explains Bruce Weinberg, summarising the findings of the study. Today, scientists are awarded the Nobel Prize for research they carried out at an average age of 48.

Therefore, all of the young scientists who will soon gather in Lindau again to discuss their research with the Nobel laureates still have plenty of time to make their mark. Those who are in a hurry to do so should concentrate on theoretical research, however, because as Jones and Weinberg also discovered: on average, theorists achieve their major breakthroughs 4.4 years earlier than experimental scientists.

Op-ed: What would the Brexit mean for Science and Research?

As the date of the referendum, June the 23rd, rapidly approaches, both the “Leave” and “Remain” campaigns are publishing increasingly aggressive headlines in an attempt to sway the 10% of voters who remain undecided about whether the United Kingdom should stay in or leave the European Union [1]. The Leave campaign is aiming to persuade voters that the UK needs to “regain control” and “end the supremacy of EU law” saying that a vote to leave “is much safer than giving Brussels more power and money every year.” [2]. They argue that the UK sends £350 million every week to the EU and that it would be better if this money was spent on the UK. The Remain campaign, on the other hand, argues that EU countries invest £66 million in the UK every day, that for every £1 the UK puts into the EU we get almost £10 back in the form of jobs, trade, investment and lower prices [3]. In fact, both campaigns have been confusing the general public with conflicting claims resulting from different assumptions made when analysing data, for example in the claims that “The EU costs the average UK household as much as £9,265 a year.” (Leave campaign) and that “.. all the trade, investment, jobs and lower prices that come from our economic partnership with Europe is worth £3,000 per year to every household.” (Remain campaign) [4]. It is no wonder that voters are unsure as to what the real effects of a Brexit would be. One of the many questions that remain is: What would happen to Science and Research, both in the UK and in Europe, as a result of a Brexit?

 

Photo: istock.com/miluxian

Photo: istock.com/miluxian

Unfortunately, the answer to this question is not known. This is, in a very large part, because there is no certainty as to what would happen to the UK budget upon leaving the EU and what the relationship of the UK with the EU will be [5]. Nor is it clear, how the UK would change its immigration policy and whether there would be exemptions for researchers, as was the case with the new immigration rules enacted on the 6th of April this year [6]. Much of the Leave campaign’s rhetoric has related to immigration [2] and therefore it is likely that if the UK was to vote to leave the EU, new immigration controls would be put into place. Exactly what these changes would be has not been outlined by the Leave campaign.

We do know a few things, however, thanks to the Science and Technology Committee’s report published in April 2016 [7], and the UNESCO science report “Towards 2030” published in November 2015 [8]. The latter concludes that a Brexit would have far-reaching consequences not only for British science, but also for European science. I will describe a few of the key points mentioned in these reports below.

The European Union is a very important centre of science worldwide, currently producing over one third of the world’s scientific output according to UNESCO data [8]. This can be partly attributed to the fact that 8% of the EU budget goes directly into Horizon 2020, the current EU framework programme for research and innovation, worth just under €80 billion from 2014 – 2020 [9]. This money is accessible to anyone within the EU, from students to established professors. Through Horizon 2020, individual researchers and groups in the UK can collaborate with researchers in over 170 countries worldwide [9], fuelling high-quality collaborative research [10]. However, this money may not become entirely inaccessible to the UK if it is no longer an EU member state, as there are several countries which currently are eligible to receive funding through Horizon 2020 as Associated Countries. If this were to become the case, it is probable that the level of influence the UK would be allowed to maintain regarding science policy decision making would decline [7] as well as the funding available to the UK [8], despite it still being expected to make a significant financial contribution to the EU.

Within the scientific community, the message is clear. In a recent poll of scientists conducted by the journal Nature, of the respondents who intended to vote in the referendum, 80%  said that they would vote to remain in the EU, and 78% said that a Brexit would harm UK science (while 9% said that it would benefit) [11]. Additionally, a group of 13 Nobel laureates recently wrote an open letter to the Telegraph newspaper, stating their support for the Remain campaign, as they believe that leaving the EU poses a “key risk” to UK science [12]. They argue that “Science thrives on permeability of ideas and people, and flourishes in environments that pool intelligence, minimise barriers, and are open to free exchange and collaboration. The EU provides such an environment and scientists value it highly.” [13].

Regardless of the decision made on June the 23rd, it is likely that the UK will have lost some of its welcoming appeal to international researchers as a result of the anti-EU and anti-immigrant rhetoric that has been filling many of headlines over the past months. The very uncertainty of what would happen if the UK were to leave the EU is likely to be damaging to the UK economy, meaning that any estimates of savings made by leaving are likely to be inaccurate. There is no precedent for what would happen if a country was to leave the EU, therefore it is difficult to predict the relationship that the EU would have with the UK. However it is likely that, in order to dissuade other countries from pulling out, the conditions offered would be less than favourable. Whether this would be damaging to science and research remains to be seen.

 

References

 

[1] Financial Times Brexit Poll Tracker: [https://ig.ft.com/sites/brexit-polling/]: [June 19, 2016]

 

[2] The Campaign – Vote Leave: [http://www.voteleavetakecontrol.org/campaign]: [June 16, 2016]

 

[3] Britain Stronger In Europe: [http://www.strongerin.co.uk]: [June 16, 2016]

 

[4] The UK in a changing Europe: [http://ukandeu.ac.uk/]: [June 16, 2016]

 

[5] Leave/Remain: The facts behind the claims: [http://ukandeu.ac.uk/wp-content/uploads/2016/04/Leave-Remain-the-facts-behind-the-claims.pdf]: [June 16, 2016]

 

[6] Statement of Intent: changes to tier 1, tier 2 and tier 5 of the points based system; overseas domestic workers; and visitors: [https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/117953/tiers125-pbs-overseas-soi.pdf]: [June 19, 2016]

 

[7] Relationship between EU membership and UK science inquiry: [http://www.parliament.uk/business/committees/committees-a-z/lords-select/science-and-technology-committee/inquiries/parliament-2015/eu-relationship-and-science/]: [June 15, 2016]

 

[8] UNESCO Science report: [http://en.unesco.org/unesco_science_report]: [June 15, 2016]

 

[9] What is Horizon 2020?: [https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/what-horizon-2020]: [June 15, 2016]

 

[10] Could a ‘Brexit’ impact UK research partnerships?: [http://www.natureindex.com/news-blog/could-a-brexit-impact-uk–research-partnerships]: [June 16, 2016]

 

[11] Scientists say ‘no’ to UK exit from Europe in Nature poll: [http://www.nature.com/news/scientists-say-no-to-uk-exit-from-europe-in-nature-poll-1.19636]: [June 19, 2016]

 

[12] Nobel prize winners warn leaving EU poses ‘risk’ to science: [http://www.bbc.com/news/uk-36505736] [June 15, 2016]

 

[13] 13 Nobel laureates urge Britain to stay in European Union: [http://www.telegraph.co.uk/science/2016/06/10/13-nobel-laureates-urge-britain-to-stay-in-european-union/]: [June 19, 2016]

 

Doppelt forscht besser – Wie man zwei Nobelpreise miteinander verbindet

Die Freude über einen Nobelpreis ist sicherlich deutlich höher, aber ein Vorgeschmack davon ließ sich mir erahnen, als ich die Zusage für die diesjährige Lindauer Nobelpreisträgertagung erhielt. Für einen jungen Nachwuchsforscher ist dies nicht nur eine große Ehre, sondern auch eine unvergleichbare Möglichkeit des wissenschaftlichen Ideenaustausches, bei dem einige der brillantesten Geister unserer Zeit mitmischen. Stellen sie sich vor, sie wären eingeladen mit ihrer Lieblingsband zu spielen. Die Rolling Stones, Nirvana, die Backstreet Boys, egal wer! Also ein Woodstock der Physik, wenn man so mag.

Als Festkörperphysiker beschäftige ich mich mit den Eigenschaften und Wechselwirkungen von kondensierter Materie. Wie fließt der Strom durch ein Metall? Wie verbessere ich eine Solarzelle? Wie funktioniert ein Supraleiter?

Oft fangen die entscheidenden Prozesse, welche die Eigenschaften von Materialien bestimmen auf der Skala von wenigen Nanometern an (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter!). Hier kommen die Wechselwirkungen einzelner Atome ins Spiel. Allerdings ist es unmöglich, diese direkt mit optischen Mikroskopen zu untersuchen. 1986 wurden jedoch zwei Techniken mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet, die mittels Elektronen Bilder auf der atomaren Skala erstellen können. Eine davon ist die Rastertunnelmikroskopie, welche Gerd Binnig und Heinrich Rohrer in den IBM Labs Zürich Anfang der 80iger Jahre entwickelten.

Mit dieser Technik beschäftige ich mich an der Universität Göttingen im Rahmen meiner Doktorarbeit. Das Funktionsprinzip kann man sich so ähnlich vorstellen wie das Lesen von Blindenschrift. Anstatt direkt die Schrift „optisch“ zu lesen, bewegt man den Finger darüber und ertastet die Oberfläche. Der Finger ist in unserem Fall eine sehr scharfe Metallspitze; die Schrift unsere Probenoberfläche. Wenn wir die beiden nun sehr, sehr nah (~1 Nanometer) aneinander bringen, so können die Elektronen der Probe auf die Spitze herüberhüpfen (sie „tunneln“, weil sie dabei den quantenmechanischen Tunneleffekt ausnutzen). Der dadurch entstehende Strom ist messbar und gibt uns Aufschluss über die lokale Struktur unserer Probe. Denn salopp gesagt, da wo Atome sind, fließt mehr Strom als da wo keine sind. Und auf diese Weise können wir durch Abrastern unserer Oberfläche Stromkarten erzeugen und so Atome „sehen“.

 

Rastertunnelmikroskopie-Aufnahme von Graphen. Photo: T. Druga/ P. Willke

Rastertunnelmikroskopie-Aufnahme von Graphen. Photo: T. Druga/ P. Willke

Aber ein Bild sagt bekanntlich mehr als tausend Worte: Abbildung 1 zeigt eine Rastertunnelmikroskop-Aufnahme (Bildgröße 8 Nanometer). Das honigwabenförmige Gitter ist die atomare Struktur einer Graphit-Lage, das Material, welches wir abreiben, wenn wir einen Bleistift benutzen. Jedoch hat eine atomare Lage von Graphit ganz besondere Eigenschaften und wird Graphen genannt. Doch dazu später mehr.

Das Rastertunnelmikroskop gibt uns nämlich nicht nur die einmalige, faszinierende Möglichkeit, die Struktur und elektronischen Eigenschaften eines Materials zu erforschen. Wir sind nicht nur passive Beobachter: Unsere Spitze kann auch genutzt werden, um gezielt die Oberfläche der Probe zu verändern, zum Beispiel um einzelne Atome zu bewegen. Die IBM Arbeitsgruppe um Dr. Andreas Heinrich, bei der ich das letzte halbe Jahr forschen durfte, hat dies soweit perfektioniert, dass sie einen Film damit gemacht haben.

 

 

Was auf den ersten Blick wie atemberaubende Spielerei aussieht, hat durchaus eine ernste Fragestellung: Wie viele Atome braucht man beispielsweise um ein Bit (eine 1 oder 0 im Computer) zu speichern. Die aktuelle Antwort hierfür lautet: 12! Bis jetzt!

 

 

An der Universität Göttingen erforsche ich nun die elektronischen Eigenschaften von Graphen (Abbildung 1). Graphen versetzt seit gut einer Dekade die Welt der Physik in Aufruhr. Dies fing bereits damit an, dass es als unmöglich galt, Graphen herzustellen, da es das erste bekannte zweidimensionale Material war. Diese galten bis dato als instabil. Doch zwei Physikern, André Geim und Konstantin Novoselov, ist es dennoch gelungen, wofür sie 2010 mit dem Physik-Nobelpreis belohnt wurden. Und nicht nur das: sie haben auch gezeigt, was für faszinierende Eigenschaften Graphen hat. So ist es unglaublich stabil und trotzdem flexibel, fast vollständig transparent und hat außergewöhnliche elektronische Eigenschaften. Denn aufgrund der elektronischen Struktur von Graphen verhalten sich die Elektronen nicht wie gewöhnlich, nein, sie verhalten sich wie relativistische Teilchen. Solche werden unter anderem in riesigen Teilchenbeschleunigern zum Beispiel am CERN studiert. Graphen ist daher zum einen spannend für die Grundlagenforschung als ein Modellsystem für relativistische Physik; einfach und unkompliziert. Zum anderen ist es auch interessant für die Anwendung, gerade die Kombination der mechanischen, optischen und elektronischen Eigenschaften von Graphen. So werden womöglich schon bald flexible Touchpads und Elektroden auf Graphen-Basis (zusammen mit OLED-Displays) die erste Generation an biegsamen Handys und Tablets liefern.

 

Untersuchung des Stromflusses in Graphen in der Nähe von Defekten. Photo: P. Willke

Untersuchung des Stromflusses in Graphen in der Nähe von Defekten. Photo: P. Willke

In Göttingen beschäftigen wir uns jetzt mit dem Stromfluss in Graphen auf atomarer Skala. Dieser kann ebenso mit unserer Spitze gemessen werden wie in Abbildung 3 illustriert ist. Oft sind Materialien nämlich nicht perfekt auf der atomaren Skala. Sie haben Fehlstellen, atomare Stufen oder Fremdatome, die den Stromfluss behindern können. Den Widerstand, den zum Beispiel der Übergang von zwei zu einer Lage Graphen verursacht, konnten wir mit einer nie dagewesenen Auflösung charakterisieren.  Wofür das gut ist? Nun, ein Transistor in der aktuellen Generation von Computerchips hat momentan eine Größe von gerade mal noch 14 Nanometern und weniger, also gerade mal etwas größer als die Skala von Abbildung 1. Hier stören solche atomaren Defekte und deswegen erforschen wir ihre Eigenschaften.

Auf diese Weise haben wir ganz ungewollt die Resultate zweier Nobelpreise miteinander kombiniert. Die spannende Physik dahinter macht nicht nur Spaß, sondern gibt uns auch tiefe Einblicke in die Welt der Atome und Elektronen. Aber warum mit zwei aufhören? Die Nobelpreisträgertagung in Lindau hat aktuell 31 Nobelpreisträger und 400 Nachwuchswissenschaftler auf der Teilnehmerliste, für kreative Anregung für die Zukunft ist da gesorgt!

Junge Physikerinnen im Rampenlicht

Unter den diesjährigen Teilnehmern des 66. Lindau Nobelpreisträgertagung befinden sich zahlreiche junge begabte Physikerinnen.

Einige haben mir im Vorfeld des Meetings mehr Einblick in ihr Leben gewährt und sich zu den folgenden 10 Fragen geäußert:

  1. Was hat Dich inspiriert in der Physik zu arbeiten?
  2. Wer sind Deine Vorbilder?
  3. Wie bist Du dorthin gekommen, wo Du gerade arbeitest?
  4. Was war das coolste Projekt an dem Du je gearbeitet hast und warum?
  5. In welchem Moment war Du besonders stolz auf Dich / auf Deine Arbeit?
  6. Wie sieht ein Tag in Deinem Leben aus?
  7. Was willst Du in Deiner Karriere erreichen?
  8. Was machst Du neben der Forschung?
  9. Welchen Ratschlag würdest Du anderen Frauen geben, die sich für Physik interessieren?
  10. Was könnte der nächste große Durchbruch in der Physik sein?

Darüber hinaus wollte ich auch noch wissen, was ihrer Meinung nach unternommen werden muss, um die Anzahl von weiblichen Professorinnen in der Physik zu erhöhen.

Lasst Euch inspirieren von…

Lola (29) aus Spanien, Charlotta (22) aus Deutschland, Gabriela (33) aus Brasilien, Ana Isabel (30) aus Spanien, Katarzyna (29) aus Großbritannien, Ayesha (24) aus Pakistan, Irene (23) aus Spanien, Winifred (25) aus Ghana, Birgitta (35) aus Deutschland, Anastasiia (26) aus Russland, Anna-Christina (26) aus Deutschland, Zaynah (28) aus Mauritius, Cora (27) aus Deutschland, Tara (26) aus Slovenien, Ann-Katrin (29) aus Deutschland,…

Alle Interviews sind auf dem Women in Research Blog zusammengetragen. Vielleicht ist beim nächsten Treffen auch ein Eintrag von Euch dabei!

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Spotlight on Young Women in Physics at Lindau

Several young talented female physicists are among the participants in the 66th Lindau Nobel Laureate Meeting.

Some of them gave me an insight into their life in advance of the meeting by answering the following 10 questions:

  1. What inspired you to pursue a career in physics / STEM?
  2. Who are your role models?
  3. How did you get to where you are in your career path?
  4. What is the coolest project you have worked on and why?
  5. What’s a time you felt immense pride in yourself / your work?
  6. What is a “day in the life” of you like?
  7. What are you seeking to accomplish in your career?
  8. What do you like to do when you’re not doing research?
  9. What advice do you have for other women interested in physics / STEM?
  10. In your opinion, what will be the next great breakthrough in physics research?

Furthermore, I wanted to know what should be done in their opition to increase the number of female professors in physics.

Get inspired by…

Lola (29) from Spain, Charlotta (22) from Germany, Gabriela (33) from Brazil, Ana Isabel (30) from Spain, Katarzyna (29) from the UK, Ayesha (24) from Pakistan, Irene (23) from Spain, Winifred (25) from Ghana, Birgitta (35) from Germany, Anastasiia (26) from Russia, Anna-Christina (26) from Germany, Zaynah (28) from Mauritius, Cora (27) from Germany, Tara (26) from Slovenia, Ann-Katrin (29) from Germany,…

All interviews are gathered on the Women in Research Blog and might include an interview with you during the next meeting as well.

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Searching for SUSY

The author Allison Reinsvold in front of the CMS detector at CERN. Photo: CERN

The author Allison Reinsvold in front of the CMS detector at CERN. Photo: Allison Reinsvold

When talking about my research with friends and family, it is sometimes hard to convince them that I’m not pulling their legs. From “squarks” and “selectrons” to “winos” and “binos”, it must sound like I am making up funny-sounding words to mess with them, but all of these words are actually used to describe particles in the theory of supersymmetry.

Supersymmetry, or SUSY as physicists refer to it, is a beautiful, elegant theory. It proposes that all of the elementary particles we have discovered and describe using the Standard Model—electrons, muons, protons, quarks, and so on—have “superpartners.” These superpartners, or sparticles as they are also called, have all of the same properties as their corresponding Standard Model particles, except for a property known as spin. Spin is an inherent property of elementary particles, and it is an essential ingredient when trying to determine how two particles are going to interact. Particles with integer spin are called bosons, and particles with half-integer spin are fermions. In supersymmetry, every Standard Model boson has a partner fermion and every fermion has a partner boson.

Physicists get excited about the theory of supersymmetry for several reasons. One reason is that it provides possible dark matter candidates. We know dark matter exists, but other than that, not much is known about it. Dark matter makes up approximately 27% of the mass and energy of the universe and only interacts with normal matter gravitationally. This makes it very difficult to study. The lightest supersymmetric particle could be one of the dark matter particles we have been looking for.

Supersymmetry is also exciting because it predicts that at high energies, the electromagnetic, weak and strong nuclear forces become unified. This means that we would only need one force and one coupling constant to describe particle interactions. Even though unification of forces does not have to occur in nature, it would certainly be very beautiful if it did, and is one motivation for searching for supersymmetry.

More practically, supersymmetry is useful because it solves what is known as the “hierarchy problem” in the Standard Model. The Higgs mass receives large quantum contributions from any new physics that might be hiding at high energies. These contributions would tend to make the Higgs mass huge, but we know that the mass of the Higgs boson is only 125 GeV. In supersymmetry, this contradiction disappears, because the large quantum corrections from fermions are canceled by their bosonic superpartners and vice versa. This is an elegant solution to the problem without having to resort to “fine-tuning”, which is the scientist’s way to describe contradictions that cannot be explained unless a number of happy coincidences occur.

There is only one problem with this beautiful theory: none of the supersymmetric particles have been discovered. Not one. We have discovered every particle predicted by the Standard Model, including the elusive Higgs boson, but have no evidence for the existence of sparticles. In my research, I search for signs of SUSY particles hiding among the Standard Model particles.

To look for the legendary SUSY particles, I use the Compact Muon Solenoid, or CMS, detector at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The LHC is the largest machine in the world. It is 27 kilometers (17 miles) in circumference, and is located at the border of France and Switzerland. At the LHC, protons are collided with a center-of-mass energy of 13 TeV. In other words, the protons at the LHC are traveling at 99.9999990% of the speed of light. Protons collide at a rate of 40 billion collisions per second. At this speed and frequency, physicists like me have the chance to observe processes so rare that they could not happen anywhere else on Earth.

 

The CMS detector at CERN in all it's glory. Photo: CERN/M. Hoch

The CMS detector at CERN in all it’s glory. Photo: CERN/M. Hoch

There are four main detectors at the LHC that physicists use to “see” what is happening in the collisions: CMS, ATLAS, ALICE, and LHCb. I am part of the CMS collaboration. The CMS detector is a 14-ton cylindrical detector. It is 21 meters (23 yards) long and 15 meters (16.4 yards) in diameter. At the center of the detector is the beampipe, where the protons collide. Moving radially outward from the beampipe, the first subdetector is the tracker system. The tracker is made of silicon and has over 9 million microstrips and 66 million pixels that allow us to follow the path of charged particles. By looking at how much the particles curve in the magnetic field, we can calculate the momentum of the particles.

After the tracker, particles pass through the Electromagnetic Calorimeter (ECAL) and the Hadronic Calorimeter (HCAL). The ECAL measures the energy of electrons and photons, and the HCAL measures the energy of hadrons, which are particles such as protons, neutrons, and pions made up of quarks and gluons. After the HCAL is the solenoid magnet (the “S” in CMS). This superconducting magnet produces a 3.8 Tesla magnetic field and is what causes the charged particles to curve as they travel through the tracker. Finally, just outside of the magnet is the muon system (the “M” in CMS) that let’s us measure the momentum of any muons produced in the event.

My work is to analyze the petabytes of data produced by the CMS detector to search for collisions that might have included a SUSY particle. Specifically, I look for events with two photons, several jets, and significant missing energy from escaping SUSY particles. Events such as these can occur in gauge-mediated supersymmetry breaking (GMSB) theories.

The LHC was upgraded from 2013 to 2015 to increase the collision energy from 8 TeV to 13 TeV. With this large jump in energy, and with the 2016 data streaming in, we are poised to make exciting discoveries. Someday soon, winos and binos might be as well known as the Higgs boson or the electron, and convincing friends and family that I’m not making words up will be much easier.

Spicy Energy Storage: Energiespeicherung mit Kohlenstoffnanozwiebeln

In der allgemeinen Bevölkerung wird Energie normalerweise nicht als fundamentale physikalische Größe definiert, sondern eher kalorisch wahrgenommen. Es ist die Rede vom Energiegehalt der Schokolode gemessen in Kalorien, welche man abends vor dem Fernseher isst. Es ist die Rede von der Energie, welche man nach einem erholsamen Urlaub getankt hat. Doch meistens wird über Energie gesprochen, wenn sie zur Neige geht. Der Akku des Mobiltelefons ist leer, der Akkubohrer bringt keine Leistung mehr oder das Auto muss aufgetankt werden. Es ist selbstverständlich geworden, täglich das Smartphone an der Steckdose einfach wieder aufzuladen. Der benutzte Strom, eine Form von elektrischer Energie, wird in einem Kraftwerk gewonnen und an die einzelnen Haushalte geliefert. Dabei werden jedoch meistens große Mengen an fossilen Energieträgern, wie z.B. Steinkohle verbrannt. Bei der Verbrennung des Kohlenstoffs mit Sauerstoff werden neben der nutzbaren Wärmeenergie auch Kohlenstoffdioxid und andere giftige Stoffe freigesetzt, welche für die globale Erwärmung und den Treibhauseffekt verantwortlich gemacht werden.

Im Zuge der Energiewende sollen nun vermehrt erneuerbare Energieträger nutzbar gemacht werden. Dazu zählen vor allem Wind- und Sonnenenergie. Diese Energieträger liegen uns zwar in unlimitierten Mengen vor, sind aber zeitlich nicht konstant nutzbar. Die Sonne scheint z.B. nur tagsüber und der Wind weht typischerweise im Herbst mehr als im Sommer. Angenommen, man würde ausschließlich Sonnenenergie ohne Zwischenspeicherung nutzen, dann müsste man nach Sonnenuntergang wieder auf Kerzenlicht umsteigen und man könnte sein Mobiltelefon nur am Tag aufladen. Diese zeitlichen Unregelmäßigen in der Energiegewinnung müssen also durch Energiezwischenspeicherung abgefangen werden. Tagsüber wird also ein Teil der Sonnenenergie vom Nutzer verbraucht und der andere Teil mittels Energiespeichern für die Nacht vorgehalten.

 

Ladeverhalten von Batterie und Superkondensator: Superkondensatoren können in Sekunden bis Minuten vollständig geladen werden, wohingegen Batterien bis zu mehrere Stunden benötigen. Im Gegenzug können Batterien weitaus mehr Energie speichern. Graphik: Marco Zeiger.

Ladeverhalten von Batterie und Superkondensator: Superkondensatoren können in Sekunden bis Minuten vollständig geladen werden, wohingegen Batterien bis zu mehrere Stunden benötigen. Im Gegenzug können Batterien weitaus mehr Energie speichern. Graphik: Marco Zeiger.

Im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung haben sich vor allem Batterien, meistens Lithium-Ionen-Batterien als der Standard etabliert. Mit einer relativ hohen Speicherkapazität werden sie heute in den meisten elektrischen Geräten verwendet und sogar für Elektroautos. Dennoch haben Batterien einige Nachteile, wie die relativ geringe Leistung und Langzeitstabilität, welche eine Anwendung zur dynamischen Energiezwischenspeicherung problematisch machen. Geringe Leistung bedeutet, dass Batterien im Vergleich zu anderen Technologien relativ lange Ladezeiten besitzen. Das bedeutet, dass man typischerweise mindestens 30 min warten muss um mit seinem Akkuschrauber die letzten Teile am neu erworbenen Kleiderschrank zu montieren. Und selbst an Stromschnelltankstellen muss man 45 min warten, bis die Fahrt mit modernen Elektroautos weitergeht.

Viel schneller, in nur wenigen Sekunden bis Minuten, können sogenannte Doppelschichtkondensatoren, welche zu den Superkondensatoren zählen, auf- und entladen werden. Diese Technologie beruht im Vergleich zu Batterien auf rein physikalischen Prozessen. Hochporöse Kohlenstoffe, wie z.B. Aktivkohle, werden typischer Weise als Elektroden verwendet. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt mit gelösten Ionen (positiv oder negativ geladene Teilchen), im einfachsten Fall Kochsalz (Natriumchlorid-NaCl). Durch eine angelegte Spannung zwischen den Elektroden und die daraus entstehende Ladungstrennung von Na+ und Cl- bilden diese Ionen in den Poren der Aktivkohle eine elektrische Doppelschicht aus, worüber Energie gespeichert werden kann. Dieser Prozess ist im Vergleich zu einer Batterie enorm schnell und kann bis zu 100.000 Mal wiederholt werden ohne merklichen Verlust. Das klingt natürlich zu schön um wahr zu sein und man fragt sich warum Batterien überhaupt der Standard in der heutigen elektrischen Energiespeicherung sind. Das Problem ist die relativ geringe Menge an Energie, die in Doppelschichtkondensatoren gespeichert werden kann. Das heißt einfach ausgedrückt, dass man seinen Akkuschrauber möglicherweise in 2 min Laden, aber dafür auch nur ein paar Minuten benutzen kann. Oder anders ausgedrückt: der Akkuschrauber müsste mit einem rucksackgroßen Doppelschichtspeicher-Modul ausgeliefert werden.

 

Ungeladener (A) und aufgeladener (B) Doppelschichtkondensator mit porösen Kohlenstoffelektroden. Graphik: Marco Zeiger.

Ungeladener (A) und aufgeladener (B) Doppelschichtkondensator mit porösen Kohlenstoffelektroden. Graphik: Marco Zeiger.

Der Idealfall wäre also die Kombination aus einer Batterie und eines Doppelschichtkondensators. Elektrische Geräte könnten in wenigen Minuten aufgeladen werden, verfügen aber dennoch über eine Speicherkapazität von mehreren Stunden. Am Saarbrücker Lehrstuhl für Energie-Materialien und am Leibniz-Institut für Neue Materialien verfolgen wir genau diesen Ansatz, indem wir die Elektrodenmaterialien von Doppelschichtkondensatoren mit denen von Batterien vereinen, sodass wir die Vorteile von beiden nutzen können. Für diese Anwendung haben sich vor allem Kohlenstoffnanomaterialien, im Vergleich zur handelsüblichen Aktivkohle, bewährt. Darunter versteht man Kohlenstoffe, welche in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines menschlichen Haares ist etwa 100-1.000 Mal größer. Zu diesen Materialien zählen unter anderem Graphen (eine Lage von Kohlenstoffatomen), Kohlenstoffnanoröhren (zu einer Röhre aufgerolltes Graphen), Fullerene (Graphen zu einer Kugel geformt) und Kohlenstoffnanozwiebeln (Fullerene mit mehreren Schalen).

 

Übersicht über verschiedene Kohlenstoffmaterialien (A) und eine Kohlenstoffnanozwiebel (B). Graphik: Marco Zeiger.

Übersicht über verschiedene Kohlenstoffmaterialien (A) und eine Kohlenstoffnanozwiebel (B). Graphik: Marco Zeiger.

Insbesondere beschäftige ich mich mit Kohlenstoffnanozwiebeln, welche sehr einfach hergestellt werden können, eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und sehr kosteneffizient mit Batteriematerialien kombiniert werden können. Bei der Standard-Herstellungsmethode werden Nanodiamanten mit einem Durchmesser von nur 5 nm auf einer Temperatur von >1000 °C im Vakuum aufgeheizt. Ja, sie haben sich nicht verlesen! In unserer aktuellen Forschung verkohlen wir Diamant. Es handelt sich dabei aber nicht um Schmuckdiamanten, sondern um synthetisch hergestellte, winzig kleine Diamanten. Durch die Temperaturbehandlung wird die Diamantstruktur zu einer fulleren-artigen Struktur umgewandelt, sodass man 5-10 nm große Kohlenstoffpartikel mit einer zwiebel-artigen Schalenstruktur erhält. Daher der Name: Kohlenstoffnanozwiebel.

Batteriematerialien, typischerweise Metalloxide wie Manganoxid und Vanadiumoxid, oder auch funktionelle Gruppen wie Chinone können mittels einfacher Beschichtungsprozesse auf die hergestellten Kohlenstoffnanozwiebeln aufgebracht werden. Durch diese Hybridisierung auf Nanoebene können die Energiespeicherkapazität von Doppelschichtkondensatoren auf das 20-fache erhöht werden bei gleichbleibender Lade- und Entladezeit. Ohne Kohlenstoff wären die Metalloxide alleine nicht zu nutzen, da deren elektrische Leitfähigkeit zu gering ist. Kohlenstoff alleine besitzt eine zu geringe Energiespeicherkapazität. Beides zusammen ergibt daher eine ideale Symbiose.

Diese Entwicklung ermöglicht eine klare Verbesserung hinsichtlich der Speicherkapazität. Dennoch ist diese noch immer etwa um den Faktor 10 geringer als bei aktuellen Batteriesystemen. Hinzu kommt, dass solche Systeme sich bisher weitestgehend nur im Labormaßstab herstellen lassen und die Kosten nicht unerheblich sind. Sicherlich darf man sich darüber nicht wundern, wenn man Diamant in Kohle verwandelt um Kohlenstoffnanozwiebeln herzustellen, aber solche Systeme sind eher als Modelle zu verstehen um die Eigenschaften zu studieren und später auf billigere und einfacher herzustellende Materialien zu übertragen.

 

Kohlenstoffnanozwiebeln können mit Metalloxiden beschichtet oder mit funktionellen Gruppen wie Chinonen funktionalisiert werden um die Energiespeicherkapazität zu erhöhen. Graphik: Marco Zeiger.

Kohlenstoffnanozwiebeln können mit Metalloxiden beschichtet oder mit funktionellen Gruppen wie Chinonen funktionalisiert werden um die Energiespeicherkapazität zu erhöhen. Graphik: Marco Zeiger.

Die Kombination von Batterien und Doppelschichtkondensatoren hat ein enormes Potential, welches durch den aktuellen Stand der Forschung noch bei Weitem nicht ausgeschöpft ist. Im Labormaßstab lassen sich zwar bereits beeindruckende Ergebnisse erzielen, welche die Vorteile von Batterien und Doppelschichtkondensatoren vereinen. Jedoch ist es aktuell schwierig, diese Technologie in industriellem Maßstab zu etablieren, da zum einen Eigenschaften wie Langzeitstabilität noch optimiert werden müssen und zum anderen die Kosten noch zu hoch sind.