Materialien für die Industrie von morgen

Von umweltfreundlicher weißer Folie nach dem Vorbild von Käferpanzern bis hin zu hochpräzisen Schnelldruckverfahren für mikroskopisch kleine Strukturen – am KIT entstehen Innovationen, die Materialien und Technologien neu denken. Hier entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem nanostrukturierte Materialien und umweltfreundliche Technologien von der Grundlagenforschung bis zum wirtschaftlich verwertbaren Produkt. Dabei arbeiten Forschergruppen aus den Natur-, Ingenieur- und Lebenswissenschaften  zusammen.

Die digitalisierte Wirtschaft braucht neue Materialien und Methoden für immer komplexere Anwendungen: Anwenderinnen und Anwender aus Forschung und Industrie kommen auf der Plattform MaterialDigital  zusammen. Sie unterstützt bei Digitalisierungsaufgaben für Materialien.

Research Focus

Nanomaterials

Auf Basis unserer umfassenden Expertise in den Materialwissenschaften erforschen und entwickeln wir innovative Materialien und neuartige Synthesewege mithilfe von datengetriebenen und autonomen Ansätzen. Zusätzlich unterstützt werden diese Ansätze durch den Einsatz sogenannter Materials Acceleration Platforms, die Datenwissenschaft, Automatisierung und Künstliche Intelligenz vereinen, um die Entdeckung und Optimierung neuer Materialien deutlich zu beschleunigen und effizienter zu gestalten.

Unser Ziel ist es, selektive oder multifunktionale Nanomaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu entwickeln – etwa mit elektronischen, optischen, adhäsiven, katalytischen oder außergewöhnlichen mechanischen Merkmalen. Diese Materialien eröffnen vielseitige Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie der Elektronik, dem Chemieingenieurwesen und den Gesundheitstechnologien.

Ein besonderer Forschungsschwerpunkt liegt auf dem 3D-Druck im molekularen Maßstab. Diese Arbeiten bilden das Herzstück unseres Exzellenzclusters 3D Matter Made to Order (gemeinsam mit der Universität Heidelberg), in dem wir Weltrekord-Druckraten von 108 Voxel pro Sekunde bei tiefen Sub-µm-Voxelgrößen erreicht haben. Darüber hinaus sind die entwickelten Materialien mit weiteren Spitzentechnologien wie Dünnschichtdruckverfahren und zellfreier Biokatalyse kompatibel.

Research Focus

Quantum Technologies

Unsere Quantentechnologie-Forschung deckt ein breites Spektrum ab – von der Grundlagenforschung an Quantenmaterialien bis hin zur Entwicklung und Realisierung anwendungsorientierter Systeme für Zukunftstechnologien. Zentrale Themen sind Quanten-Spintronik, Quantenkommunikation und -vernetzung, Quantensensorik sowie Quantencomputing. International herausragend ist das KIT insbesondere bei  seiner Pionierarbeit an supraleitenden Materialien und Qubits, molekularen Spin-Qubits und hybriden Spin-Systemen.

Zu den bedeutendsten Durchbrüchen der letzten Jahre zählt die Entdeckung einer neuartigen Klasse optisch adressierbarer molekularer Spins mit außergewöhnlicher optischer Kohärenz. Um das Potenzial dieser molekularen Systeme für die Quantenkommunikation zu demonstrieren, wurde eine Glasfaserverbindung zwischen dem Campus Nord und dem Campus Süd des KIT eingerichtet, mit der die Forschenden Schlüssel übertragen, testen und weiterentwickeln. Darüber hinaus soll  ein Quantennetzwerk aufgebaut werden, das unter anderem die Verknüpfung von Quantencomputern ermöglicht

Ergänzt werden diese Aktivitäten durch Forschung an der optischen Auslesung von Quantensystemen und der Kopplung molekularer Nanostrukturen mit Photonen – entscheidende Schritte auf dem Weg zu skalierbaren Quantenarchitekturen.

Forschungshighlights

3D Matter Made to Order

Die gemeinsam von KIT und Universität Heidelberg getragene Initiative „3D Matter Made to Order” ist eines bei der aktuellen Exzellenzstrategie geförderten Cluster. Er verfolgt in der Verbindung von Natur- und Ingenieurwissenschaften einen stark interdisziplinären Ansatz. Der Forschungscluster nimmt dreidimensionale additive Fertigungstechniken in den Blick – von der Ebene der Moleküle bis hin zu makroskopischen Abmessungen. So sollen Bauteile und Systeme im Nanodruckverfahren mit höchster Prozessgeschwindigkeit und Auflösung entstehen und die Voraussetzungen für neuartige Anwendungen in Material- und Lebenswissenschaften schaffen.

Entwicklungen in Quantenmaterialien

Am KIT wurde eine neuartige Materialklasse optisch adressierbarer molekularer Spins entdeckt, die sich durch unvergleichliche optische Kohärenzeigenschaften für Moleküle auszeichnet. Dies ermöglicht die direkte Adressierung kohärenter Kernspins für skalierbares Quantencomputing und Quantennetzwerke.

Außerdem konnten Forschende zeigen, dass Kohlenstoff-Nanoröhren als Quantenlichtquelle bei Telekom-Wellenlängen funktionieren, wenn sie elektrisch betrieben werden. Dies ebnet den Weg für kompakte und effiziente Quantenlichtquellen, die ideal für Anwendungen in der Quantenkommunikation sind. Ergänzt werden diese Aktivitäten durch Forschung an der optischen Auslesung von Quantensystemen und der Kopplung molekularer Nanostrukturen mit Photonen – entscheidende Schritte auf dem Weg zu skalierbaren Quantenarchitekturen.

Grafische Darstellung der präzisen Ansteuerung eines Diamant-Qubit durch Mikrowellen. Ioannis Karapatzakis, KIT
Die präzise Ansteuerung von Diamant-Qubits ist ein bedeutender Schritt für die Entwicklung von Quantencomputern.

Entwicklungen rund um Qubits

Zum ersten Mal hat ein Forschungsteam des KIT gezeigt, wie sogenannte Zinn-Fehlstellen in Diamanten sehr exakt mit Mikrowellen kontrolliert werden können. Diese Defekte haben besondere optische und magnetische Eigenschaften und können als Qubits genutzt werden: kleinste Recheneinheiten für Quantencomputer und die Quantenkommunikation. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer und sicherer Quantenkommunikationsnetzwerke.

Sichere Kommunikation und digitale Souveränität in Europa – dafür sind Quantennetzwerke eine entscheidende Schlüsseltechnologie. Eine wichtige Grundlage dafür schaffen Forschende des KIT gemeinsam mit europäischen Partnern, indem sie einen supraleitenden Quantencomputer mit einem spinbasierten Quantenspeicher vernetzen. Damit bringen die Forschenden leistungsstarke Quantentechnologien einen entscheidenden Schritt voran.