Veröffentlicht: 11.01.13
Science

Angetrieben durch Neugier und Wissensdurst

Der Physiker Philip Moll hat während seiner Doktorarbeit ein Verfahren entwickelt, um den elektrischen Widerstand in mikrometerkleinen Kristallen zu messen. Das trägt ihm nahezu täglich Post von Kollegen ein, die von seinem Know-how profitieren möchten.

Simone Ulmer
Philip Moll am Ionenstrahl-Mikroskop. (Bild: Peter Rüegg / ETH Zürich)
Philip Moll am Ionenstrahl-Mikroskop. (Bild: Peter Rüegg / ETH Zürich) (Grossbild)

Es sieht aus, als ob hier jemand intensiv am Arbeiten wäre: Der Schreibtisch ist überfüllt mit Papieren, Päckchen und kleinen Gläschen, in denen sich scheinbar Staub in allen erdenklichen Farben befindet. Doch Philip Moll winkt spitzbübisch lächelnd ab. Gearbeitet habe er viel, das stimme, aber nur wenig am Schreibtisch. In den Röhrchen befände sich auch kein Staub, sondern sogenannte Einkristalle, Kristalle mit einem vollständig homogenen Kristallgitter. Sie seien zum Teil im hauseigenen «Brutkasten» in aufwendigen Verfahren gezüchtet worden, zum Teil stammten sie von anderen Forschern. Um die Eigenschaften dieser Kristalle zu studieren, ist der frisch promovierte Physiker meistens im Labor oder im Elektronenmikroskopie-Zentrum der ETH Zürich anzutreffen.

Widerstandsmessungen an Winzlingen

Philip Moll forschte in den vier Jahren seiner Doktorarbeit bei Bertram Batlogg, Professor am Laboratorium für Festkörperphysik, an auf Eisen basierenden Hochtemperatur-Supraleitern, sogenannten Eisenpniktid-Kristallen. Sie bestehen aus den Elementen Eisen, Arsen, Samarium, Sauerstoff und Fluor. Da die Supraleitung je nach Richtung in solchen Kristallen unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann, sind Widerstandsmessungen in Bezug auf die Kristallstruktur wichtig.

Moll hat deshalb in seiner Doktorarbeit ein Verfahren entwickelt, in dem er einen Ionenstrahl – der normalerweise zur Proben-Präparation genutzt wird – auf eine neue Art einsetzt. Mit dem Ionenstrahl schneidet er die wenige Hundertstel Millimeter kleinen Kristalle beliebig in Form. Danach befestigt er an ihnen feine Elektroden, die mit nur zwei bis drei Mikrometer Dicke mehr als zwanzig Mal dünner als ein Menschenhaar sind. Über die Elektroden kann er den elektrischen Widerstand der Kristalle messen. Da Moll bis anhin der Einzige ist, der diese höchstfiligrane Arbeit beherrscht, treffen fast täglich Anfragen mit Proben aus der ganzen Welt bei ihm ein. Das erklärt die vielen Päckchen auf seinem Schreibtisch.

Interessante Anwendungen

Moll und weitere Teammitglieder unter Leitung von Batlogg fanden bei den Messungen unter anderem heraus, dass im supraleitenden Zustand unter bestimmten Bedingungen sowohl parallel wie auch senkrecht zur Kristallschichtung starke Ströme fliessen können. «Das macht das Material für technische Anwendungen sehr interessant», betont Moll, «etwa als Kabelmaterial für supraleitende Magnete.»

Beim Testen der Kristalle war Moll zudem kürzlich aufgefallen, dass sich seltsame Spannungsspitzen zeigen, wenn ein Magnetfeld genau parallel zu den supraleitenden Schichten des Kristalls angelegt wird. Als der Wissenschaftler zusammen mit Physikern des Labors für Festkörperphysik und des Instituts für Theoretische Physik dem überraschenden Phänomen nachging, stellte sich heraus, dass sich die im supraleitenden Zustand des Kristalls unter bestimmten Umständen erzeugten Wirbel der Elektronen verändern. Sie gehen unerwarteterweise in einen anderen «Wirbel-Typ» über, der eine viel höhere Beweglichkeit aufweist. «Wir haben diese erhöhte Mobilität untersucht und daraus neue Einblicke in die Art und Struktur der Wirbel bei den tiefen Temperaturen gewonnen», sagt Moll. Die Ergebnisse der Studie publizierte die Physiker kürzlich in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Reisen zu den stärksten Magneten

Neben den Widerständen testet das Team in seinen Experimenten, bei welchen magnetischen Feldstärken die Supraleitung im Kristall zusammenbricht. Da mit dem an der ETH verwendeten Magneten nur bis zu einer Feldstärke von 14 Tesla gemessen werden kann, reiste Moll oft nach Amerika, zu den beiden Standorten des National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee und Los Alamos. Die Magnete dort können Magnetfelder von bis zu 100 Tesla erzeugen. Moll baute sich bei diesen Reisen ein Netzwerk mit anderen Wissenschaftlern auf, wodurch viele kleinere Projekte neben seiner Doktorarbeit zustande kamen.

Von seinem Doktorvater sei er immer dazu ermuntert worden, nach den Dingen zu schauen, die abseits vom Weg lägen, und Bestehendes zu hinterfragen, sagt er. Das habe perfekt in sein Lebenskonzept gepasst. Der Physiker räumt aber auch ein, dass das in der heutigen Zeit gar nicht so einfach sei. Zu hoch sei etwa der allgemeine Publikationsdruck. Doch Moll schätzt die grosse Freiheit und das Vertrauen, das sein Professor ihm entgegenbrachte: «Bereits nach drei Monaten Forschungsarbeit konnte ich über meine Forschung auf einem Kongress in Rom berichten.»

Der 28 Jahre junge Forscher tritt in seinem grauem Wollmantel und dem karierten Kaschmir-Schal auf als wäre er bereits ein etablierter Professor. Doch im Gespräch wird klar, dass es für ihn völlig offen ist, ob er seine akademische Laufbahn weiterführen möchte. Blicke er auf seine Dissertation zurück, so sei genau das passiert, was er nie gewollt habe. Zu lange habe er sich mit ein und demselben Thema befasst, manchmal rund um die Uhr – in seinem Büro liegt ein Schlafsack.

Kochen mit Physik

Deshalb ist auch Koch zu werden durchaus eine Option für den Physiker, der nicht nur gerne segelt und Ski fährt, sondern auch leidenschaftlich gerne kocht. Aber auch da geht der Physiker in ihm durch, denn gekocht wird Sous Vide. Das heisst, sein Steak gart im Vakuum im heissen Wasser. Die technische Vorrichtung für die aus Frankreich stammende Kochkunst hat er selbst gebaut. Damit kann er die Temperatur während des Garvorgangs bis auf die zweite Nachkommastelle konstant halten. Um dem Steak die knackige Bratkruste zu verschaffen, wird es mit flüssigem Stickstoff übergossen und für einen Augenblick mit einem Lotbrenner bei 1650 Grad Celsius flambiert. «So erhalte ich ein perfektes Steak, das an allen Stellen einheitlich gar ist und die perfekte Bratkruste hat», schwärmt der Physiker.

Taucht Moll in seinen Erzählungen in seine Vergangenheit ein, erfährt man, dass er als Sechsjähriger erstmals Bundesschatzbriefe gekauft hat. Das Thema «Investment» fasziniert ihn bis heute. Auch in Philosophie habe er einmal einen Preis gewonnen, und eigentlich interessiere ihn einfach alles. «Geschichte war aber zu brotlos, und an der ETH bin ich letztlich gelandet, weil mir diese die Möglichkeit bot, Physik und Mathematik in den ersten Jahren gleichwertig zu studieren, ohne sich auf eines der beiden Fächer festzulegen.» Vom Studium erhoffte er sich eine kreative und vielfältige Ausbildung – und er wurde nicht enttäuscht.

Bei Batlogg konnte er seine Fähigkeiten und seine Kreativität voll einsetzen, davon ist Moll überzeugt. Aber auch Batlogg fand in Moll das, was er suchte. «Meine Studenten müssen idealerweise ein ausgeprägtes Verständnis der physikalischen Konzepte mit sich bringen und modernste Experimentierkunst beherrschen», sagt der ETH-Professor. Dass Moll diese Eigenschaften mitbrachte, ahnte Batlogg bereits im Interview für die Diplomarbeit, die der Nachwuchswissenschaftler ebenfalls bei Batlogg machte. «Ich habe ihn gefragt, ob er auch privat experimentierfreudig sei, und er hat mir geantwortet, dass er soeben für sein Kaninchen eine Futtervorrichtung gebastelt hat, die er übers Internet steuern könne», erzählt Batlogg schmunzelnd.

Bis im Sommer wird Moll an der ETH noch laufende Projekte abschliessen, bevor er plant, für einige Zeit in einem Consulting-Unternehmen in Zürich zu arbeiten. «Einfach wieder einmal etwas ganz anderes», freut sich der gebürtige Hamburger.

 
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