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Magnetisch angezogen

Wie Nachwuchswissenschaftler am Forschungszentrum Matheon zusammenarbeiten, um Modelle zu entwickeln


Klick, klick, klick! Schon hängen die kleinen Eisenbahnwaggons mit Hilfe von Magneten aneinander. Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, das einem von Kindesbeinen an begegnet. In der Schule hört man vom Erdmagnetfeld und betrachtet Magnetkompasse, der Magnetismus spielt in der Technik, in Transformator und Computer, eine Rolle. Und auch im DFG-Forschungszentrum Matheon interessieren sich Forscher für Ferromagnetismus. Es sind nicht wie man meinen könnte Physiker, sondern Mathematiker, die neue Bauelemente für Computer erforschen. Dabei geht es unter anderem um das „Verhalten“ weichmagnetischer Materialen, die sich anders als Hartmagnete in verschiedene Richtungen ausrichten lassen und dabei Informationen speichern, beispielsweise bei Speichervorgängen im Computer.

Christof Melcher
Foto: Bernd Prusowski
Christof Melcher, HU-Nachwuchsgruppenleiter am Matheon, hat allerdings keine Magnete in seinem Adlershofer Büro stehen. Ihn interessieren magnetische Blättchen, die sich in der „Dicke“ im Nanometerbereich bewegen, was ein Millionstel eines Millimeters ist. Eine Rolle spielen solche Größen beispielsweise in der High-Tech-Industrie. Denn elektronische Geräte werden immer kleiner und sie erfordern immer kleinere magnetische Strukturen. Nun könnte man als Laie meinen, es genüge, die herkömmliche Technik immer wieder auf einen kleineren Maßstab zu reduzieren, doch mit der Größe verändern magnetische Strukturen ihre Eigenschaften, so dass die Forscher erst einmal herausfinden müssen, wie sich Magnete bei bestimmten Größen ausrichten. Melcher versucht in dem Grundlagenprojekt Voraussagen über die Schnelligkeit der Umschaltprozesse zu treffen und zu analysieren, wie diese Prozesse funktionieren. Dabei arbeitet er mit langen und komplizierten mathematischen Gleichungen.

Erforscht werden soll auch, wie die winzigen Magnete im Zusammenspiel mit Elektronik beim Austausch von Informationen in Computern eingesetzt werden können. „Elektronen haben neben ihrer elektronischen Ladung noch eine weitere fundamentale Eigenschaft“, sagt Melcher. „Die Spinpolarisation kann mit der magnetischen Ausrichtung der Blättchen interagieren, so dass Informationen mittels Ladung und Spin ausgetauscht werden können.“ „Spintronic“ heißt dieses Gebiet. Die Forscher versprechen sich davon, Theorien zu gewinnen, wie Computer auch weiterhin leistungsstärker, schneller und kleiner werden können. Aber es geht auch um ganz neue, revolutionäre Eigenschaften: So sollen Informationen nicht mehr durch das Ausschalten des Computers verloren gehen.

Ob nun Melchers mathematischen Theoreme stimmig und aussagekräftig sind, könnte er in Zusammenarbeit mit Physikern experimentell klären. Allerdings sind solche Versuche oft viel zu aufwändig und kosten viel Geld. Die Ergebnisse veranschaulichen und verifizieren kann Melcher in Zusammenarbeit mit einem Kollegen. Sören Bartels sitzt im Adlershofer Mathematik- und Informatikgebäude ein Stockwerk höher und ist ebenfalls HU-Nachwuchsgruppenleiter am Matheon. Bei ihm geht es nicht um Analytische, sondern um Numerische Mathematik. „Wir simulieren Prozesse aus der Realität am Computer und versuchen damit Phänomene zu beschreiben und verstehen“, erklärt Bartels. In einem anderen Projekt mit dem Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik geht es um bleifreies Lötzinn, das nach EU-Richtlinien seit April 2006 von Elektrogeräte-Herstellern zurückgenommen und aufgearbeitet werden muss. Bei der Zerlegung in Rohstoffe kommt es darauf an, dass die Einzelteile wenig mit giftigen Substanzen verunreinigt sind.

Bei der Entwicklung mathematischer Modelle spielen Algorithmen eine wichtige Rolle. Interessant wird es für Bartels dort, wo klassische Verfahren versagen, und es darum geht, neue Algorithmen zu entwickeln. Dabei spielen Zeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Simulation eine wichtige Rolle. Denn selten ist es möglich, eine exakte Lösung der mathematischen Gleichung zu erreichen. Vorstellbar ist beispielsweise, dass die Berechung einer Gleichung auch per Computer zu lange dauern würde. Hier müssen die Numeriker mit Näherungen arbeiten und erhalten so genannte Approximationen, manchmal können auch nur Teile des mathematischen Problems simuliert werden. Aber, selbst wenn es keine kompakte Formel für die Lösung gibt, hat die Zusammenarbeit mit Numerikern einen großen Vorteil: Während der Simulation am Computer zeigt sich, „ob die Lösung glatt ist, die Aussagen der Analytiker scharf sind“, erklärt Bartels. Dann sind die Wissenschaftler wieder einen kleinen Schritt weiter. Ljiljana Nikolic