Beobachtungen im Kryolabor: "Es gibt uns die Möglichkeit, bei extrem niedrigen Temperaturen verschiedene Materialeigenschaften zu untersuchen"

Physikalische Prozesse einfrieren, um ein Material besser zu "verstehen" und so die Hardware der Zukunft zu entwickeln. Das geschieht derzeit im Kryolabor der TU Ilmenau. Hier forschen Professor Martin Ziegler und sein Team daran, die Digitalisierung durch neue Methoden fit für die nächsten Jahrzehnte zu machen. Wie, das erfahren Sie im Interview!

Herr Prof. Ziegler, die TU Ilmenau hat nun ein Kryolabor. An was forschen Sie dort?

Martin Ziegler: Wir forschen an biologisch-inspirierter Elektronik beziehungsweise deren Funktionsweise. Mit der Digitalisierung kommen immer neue Anforderungen an eine Informationsverarbeitung auf uns zu, zum Beispiel künstliche Intelligenz oder maschinelles Lernen. Diese Technik funktioniert auch immer besser, wenn man etwa an die Spracherkennung des Handys denkt. Der Preis, den wir dafür bezahlen, ist jedoch der Energieverbrauch. Denn die Hardware ist auf solche Techniken nicht zugeschnitten. Das heißt, wir brauchen andere Arten von Hardware für diese Informationsverarbeitung. Warum ist das zurzeit sehr brisant? Heute schon verwenden wir circa 20 Prozent der weltweiten Energieproduktion nur für die Informationstechnologie. Wenn man nun 15 bis 20 Jahre weiter rechnet, dann merkt man, dass die heutige Energieproduktion nicht mehr ausreichen wird, um unsere IT-Welt zu betreiben.

Jetzt gibt es zwei Auswege: Nummer Eins: Man stoppt die digitale Revolution. Aber das wird natürlich nicht funktionieren. Man kann nicht zurück. Nummer Zwei: Eine energieeffizientere Informationsverarbeitung entwickeln. Das heißt, wir brauchen eine andere Hardware für die Digitalisierung. Dabei berücksichtigen wir auch, dass Computer durchaus nicht immer dem menschlichen Gehirn überlegen sind. Jetzige Computer können viele Sachen gut, aber in einigen Bereichen sind sie doch der Biologie deutlich unterlegen. Und genau dieser Bereich interessiert uns. Das Forschungsinteresse unseres Fachgebietes liegt in der Übertragung biologischer Informationsverarbeitung und Informationsspeicherung in elektronische Systeme. Der Fachbegriff lautet "neuromorphe Elektronik". Gefördert werden wir vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die haben im Jahr 2018 ein Programm aufgelegt, das Infrastrukturförderung an deutschen Hochschulen und insbesondere im Bereich der Mikroelektronik betreibt. Bei uns in Ilmenau wird der Bereich der neuromorphen Elektronik gefördert.

Sie nehmen sich die Biologie als Grundlage, zum Beispiel die Synapsen des Gehirns, um eine schnellere Datenverarbeitung zu erreichen. Wie kommen hier die eisigen Temperaturen ins Spiel, die Sie für die Forschung benötigen?

Ziegler: Es ist jetzt weniger eine Frage der Biologie, dass wir das Kryolabor brauchen. Wir wollen eine Brücke schlagen zwischen neuen Werkstoffen der Elektrotechnik, also Materialien und wie man sie man verwenden kann, und der Informationsspeicherung und -verarbeitung. Das setzt ein grundlegendes physikalisches Verständnis voraus, also ein Verständnis des Materials, das wir für die Elektronik nutzen. Dafür ist das Kryolabor wichtig. Es gibt uns die Möglichkeit, bei extrem niedrigen Temperaturen verschiedene Materialeigenschaften zu untersuchen. Man kann es sich so vorstellen: In einem Material gibt es eine Vielzahl von Atomen und physikalischen Prozessen. Wenn man sie jetzt der Kälte aussetzt, friert man die Prozesse sozusagen ein. Man hat ein dynamisches Teilchensystem mit viel Fluktuationen als eine eingefrorene Situation. Und damit kann man einzelne physikalische Prozesse an- oder ausschalten, über die Temperatur, und untersuchen. Im Wesentlichen sind es hochauflösende Mikroskope, die im Kryolabor stehen. Sie zeigen uns zum Beispiel einzelne Atome. Wir sprechen von Quantenmechanik. Diese unterliegt anderen Gesetzmäßigkeiten. Aber diese Gesetzmäßigkeiten nutzen wir für die Entwicklung neuer elektronischer Bauelemente.

Wir brauchen neue Werkstoffe und Materialien, weil wir andere physikalische Prozesse ausnutzen wollen für unsere bioinspirierten Schaltkreise. Lassen Sie es mich kurz erklären: Ein Computer funktioniert anders als ein menschliches Gehirn. Ein Computer hat ein Rechenwerk. Das ist das Programm. Das heißt, er hat eine genaue Prozedur, eine Prozessfolge, ähnlich wie ein Kochrezept. Das Gehirn funktioniert anders. Das Gehirn betreibt eine dezentrale Informationsverarbeitung. Das heißt, die Neuronen haben eine Verbindung mit im Schnitt zu 100 bis 1000 anderen Nervenzellen. Und diese Verbindungen sind flexibel. Das sind die Synapsen. Das Gehirn hat somit kein Rechenwerk, sondern eine lokale, dezentrale Informationsverarbeitung. Wenn man diese zwei Systeme vergleicht, stellen sie ganz andere Herausforderungen an die die Bauelemente, an die Systeme, die wir entwickeln wollen. Das heißt, wir können zum Teil natürlich arbeiten mit dem, was schon existiert, aber um es wirklich effizient und gut zu machen, müssen wir neue Ansätze entwickeln. Das Kryolabor ist ein Teilbereich des Ganzen.

Bis wann rechnen Sie mit Ergebnissen, die sich in der Industrie umsetzen lassen?

Ziegler: Die Zeitskala gibt uns der Energieverbrauch. Es muss das Projekt der nächsten zehn Jahre sein. Denn wie gesagt, ansonsten fehlt die Energie, um die entsprechende IT nach Bedarf zu betreiben. Wir als Universität entwickeln jedoch keine Produkte, sondern neue Ideen. Im Bereich der Grundlagenforschung sind wir meist circa 20 Jahre vor Markteinführung.

Welche möglichen Anwendungen sehen Sie in der Zukunft auch im Bereich der Medizintechnik?

Ziegler: Zum Beispiel Technik für den Hörsinn. Nehmen sie eine Unterhaltung, zum Beispiel in der Mensa oder in einem Raum, in dem ganz viele Schallquellen sind. Mit gesunden Ohren können wir uns trotz störender Nebengeräusche drauf fokussieren, was jemand sagt. Wir können bei unterschiedlichen Rauschquellen das interessante Signal herausfiltern und somit ein gutes Informationsverständnis haben. Das gelingt mit Standardhörgeräten oftmals nicht. Wir arbeiten zurzeit daran, dass wir eine Nachbildung der Cochlea erstellen. Diese soll ein adaptives Aufnehmen von Signalen ermöglichen. Das könnte sehr interessant sein für die Medizintechnik.