Chirale Elektronik – der Exzellenzcluster ist gestartet

Anfang dieses Jahres hat ein außergewöhnliches Forschungsvorhaben offiziell begonnen: das Exzellenzcluster „Center for Chiral Electronics“. Die gemeinsame Initiative der Universität Regensburg, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, der Freien Universität Berlin und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle hat im vergangenen Jahr von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) den Zuschlag erhalten und wird in den kommenden sieben Jahren mit 64,5 Millionen Euro gefördert. Als weitere Institution ist die Technische Universität Dortmund beteiligt, die innerhalb des Clusters die Bereiche Bildungsforschung und Wirkungsanalyse übernimmt. Was lange vorbereitet wurde, nimmt nun konkrete Gestalt an.

„Der Exzellenzcluster Center for Chiral Electronics ist ein großartiger Gewinn für die Universität Regensburg und stärkt unsere Universität nicht nur wissenschaftlich, sondern auch strukturell. Der Cluster leistet innovative Grundlagenforschung und ist ein entscheidender Impulsgeber, der unsere Universität über die nächsten Jahre hinweg prägen wird und Regensburg als Standort für visionäre und weltführende Forschung international sichtbar macht“, sagt Universitätspräsident Prof. Dr. Udo Hebel zum offiziellen Start des Clusters.
 

Was bedeutet Chiralität – und warum ist sie für die Elektronik interessant?

Chiralität beschreibt die „Händigkeit“ eines Objekts. Zwei Strukturen können zueinander spiegelbildlich sein wie linke und rechte Hand – ohne deckungsgleich zu sein. Dieses Prinzip ist in der Chemie seit über 150 Jahren bekannt, in der Biochemie sogar grundlegend: Unser Körper ist voll von chiralen Molekülen und Proteinen, und ihre Händigkeit bestimmt ihre Funktion. „Dieses Konzept, das in den Lebenswissenschaften alltäglich ist, wurde für elektronische Anwendungen bislang kaum genutzt“, sagt Prof. Jascha Repp, Sprecher der Regensburger Forschenden.

Hier setzt der Exzellenzcluster an. Sein Ziel ist nicht, bestehende Elektronik zu verbessern, sondern elektronische Funktionalität auf Basis chiraler Eigenschaften neu zu denken. Elektronik und Chiralität sollen systematisch miteinander verknüpft werden – zwei bislang weitgehend getrennte Forschungsfelder.

Am Ende der Förderperiode wird es noch keine neuen Chips geben. Denn zunächst einmal geht es um Grundlagenforschung: um das physikalische Verständnis, wie Chiralität zukünftig in elektronischen Bauelementen genutzt werden könnte. Innerhalb der sieben Jahre sollen erste vorzeigbare Funktionskonzepte entstehen.

Die Energiefrage – oder: Was ist die Vision dahinter?

Warum lohnt sich dieser Aufwand? Ein Kernmotiv ist der Energiebedarf moderner Elektronik. Rechenzentren und KI-Infrastrukturen verbrauchen enorme Energiemengen, die bereits heute Kraftwerkskapazitäten binden.

„Die Grenze moderner Chips ist nicht mehr nur die technische Machbarkeit weiterer Miniaturisierung und Taktsteigerung, sondern die vor allem auch die Reduktion der Wärmeentwicklung“, so Repp. „Wenn es gelingt, Elektronik zu entwickeln, die weniger Wärme erzeugt oder effizienter funktioniert, wäre das eine technologische und ökologische Zäsur.“

Alternative zur Siliziumlogik und zum Quantencomputing?

Moderne Chips basieren nahezu vollständig auf Silizium und Transistoren, die Informationen über elektrische Ladung verarbeiten. Dieser Ansatz ist inzwischen physikalisch weitgehend ausgereizt.

Der Einbezug von Chiralität erweitert elektronische Schaltungen um eine zusätzliche Informationsebene: Neben der Frage „fließt Ladung oder nicht?“ könnte künftig auch quantenmechanische Eigenschaften der Elektronen genutzt werden. Es wird eine weitere physikalische Ressource genutzt – vergleichbar damit, wie Spin oder Superposition im Quantencomputing genutzt werden können.

Chirale Elektronik ist jedoch weder klassische Elektronik noch Quantencomputing. Sie beruht auf anderen Prinzipien und könnte langfristig völlig neue elektronische Bauelemente, Architekturen oder besonders energieeffiziente Funktionen hervorbringen.

"Wir hoffen natürlich, dass wir eine ähnliche Entwicklung haben werden, wie in Quantencomputing das heutzutage in aller Munde ist – mit der Perspektive dass chirale Elektronik eines Tages in Produkten genutzt werden kann“, sagt Repp.

Welche Aspekte von Chiralität sollen untersucht werden?

Chiralität in der Physik lässt sich in verschiedene Richtungen denken:

1. Strukturelle Chiralität – die „klassische“ Händigkeit
Hier geht es um Moleküle oder Kristalle, die von Natur aus oder artifiziell chiral aufgebaut sind und lokal oder großflächig Händigkeit aufweisen. Solche Strukturen gezielt herzustellen, zu steuern und für elektronische Konzepte nutzbar zu machen, ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt des Clusters.
2. Emergente Chiralität – Chiralität aus elektronischen Freiheitsgraden
Elektronen sind nicht nur Partikel, sondern besitzen auch Wellencharakter und damit zusätzliche Freiheitsgrade, die in bestimmten Materialzuständen ebenfalls chiral sein können – etwa in magnetischen Systemen oder in der Supraleitung. Diese Form der Chiralität entsteht nicht zwangsläufig durch die äußere Struktur eines Materials, sondern kollektiv im elektronischen System selbst und eröffnet völlig neue Funktionalitäten.
3. Ultraschnelle Chiralität – Händigkeit auf ultraschnellen Zeitskalen
Mit ultrakurzen Laserimpulsen können in nicht-chiralen Materialien vorübergehend chirale Eigenschaften erzeugt werden. Beispielsweise lassen sich Atome, die nicht chiral angeordnet sind, durch Lichtblitze für extrem kurze Zeit auslenken, so dass sie eine chirale Struktur annehmen.

„Solche Prozesse sind im Bereich von Femtosekunden denkbar“, erklärt Repp. „Damit könnten Taktraten erreicht werden, die zigtausendfach über denen heutiger Chips liegen.“ Genau daher gelten diese Effekte als Ansatzpunkt für völlig neue Schaltkonzepte.

Einzelner Geistesblitz oder eine Folge von Initialzündungen?

Neuartige Forschungsansätze entstehen selten aus einem einzelnen Geistesblitz. Vielmehr entwickelt sich die wissenschaftliche Community Schritt für Schritt in diese Richtung.

„Die entscheidende Erkenntnis war, dass viele einzelne Impulse sich unter dem Begriff chirale Elektronik zu einem gemeinsamen Konzept bündeln lassen. Genau dieser Perspektivwechsel hat den Weg zur Antragstellung für den Exzellenzcluster geöffnet“, so Repp.

„Manchmal entsteht ein Projekt genau zum richtigen Zeitpunkt. Vor zehn Jahren wären die entscheidenden Impulse noch nicht vorhanden gewesen, in fünf oder zehn Jahren wäre vieles vielleicht schon selbstverständlich. Jetzt aber ist der Moment, in dem die Zündfunken zusammenfallen und das Thema Fahrt aufnimmt.“

Strukturelle Wirkung: Was ist bei einem Exzellenzcluster anders?

Ein Exzellenzcluster ist nicht nur wissenschaftlich relevant, sondern wirkt auch institutionell. Er ermöglicht langfristige strukturelle Veränderungen, etwa:
- neue Professuren im Bereich chiraler Elektronik
- den Aufbau wissenschaftsunterstützender Infrastruktur, etwa im Forschungsdatenmanagement
- standortübergreifende IT-Architekturen
- regelmäßige Seminare, Schools und Austauschformate zwischen den beteiligten Einrichtungen

Diese Maßnahmen wirken über die Laufzeit des Clusters hinaus und stärken die internationale Sichtbarkeit der naturwissenschaftlichen Bereiche der beteiligten Universitäten langfristig.

Was bedeutet der offizielle Projektstart?

Obwohl die wissenschaftliche Arbeit bereits vor Monaten begonnen hat, markiert der Jahreswechsel den formalen Beginn der Aufbauphase: Neue Mitarbeitende haben ihre Stellen angetreten, Berufungsverfahren starten, Dateninfrastruktur und Koordinationsstrukturen werden aufgebaut. Erste projektübergreifende Treffen haben bereits stattgefunden.
„Die siebenjährige Laufzeit klingt lang, ist aber angesichts von Berufungsprozessen, Laboraufbau und Publikationszyklen kurz. Deshalb ist unser Anspruch, vom ersten Tag an mit voller Geschwindigkeit zu arbeiten“, betont Repp.

Welche Chancen bietet das Exzellenzcluster jungen Forschenden?

Ein Schwerpunkt des Clusters ist die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses. Dazu gehören:
- interne Förderlinien für Nachwuchsgruppen
- frühe wissenschaftliche Eigenständigkeit
- Zugang zu modernster und daher teurer Cutting-Edge-Infrastruktur
- standortübergreifende Vortragsreihen, Schools und Workshops

Studierende profitieren spätestens ab dem Master vom Cluster. Es gibt offene Stellen in theoretischer und experimenteller Physik, und Initiativbewerbungen sind ausdrücklich erwünscht.

Fazit: Der Exzellenzcluster Center for Chiral Electronics hat zum Jahresbeginn offiziell begonnen. Die ersten Experimente laufen bereits, die ersten Strukturen entstehen. Noch steht das Projekt am Anfang eines potenziell jahrzehntelangen wissenschaftlichen Weges. Doch der Auftakt zeigt: Die Voraussetzungen sind geschaffen, der Zeitpunkt ist günstig – und die Vision ist klar: Chiralität könnte die Elektronik der Zukunft verändern.
 

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Center for Chiral Electronics - ExStra - Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder