ITI: Grundstein für neues Forschungsinstitut

17,73 Millionen Euro plus weitere rund 3,4 Millionen Euro für Großgeräte und die Erstausstattung: Das sind die finanziellen Rahmendaten für den Forschungsneubau des „Institut für Topologische Isolatoren“ (ITI) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Am Freitag, 12. Juli 2019, haben die Beteiligten gemeinsam mit Bayerns Wissenschaftsminister Bernd Sibler sowie zahlreichen weiteren Vertretern aus Politik und Wissenschaft den Grundstein für das Gebäude auf dem Campus Hubland Süd gelegt.

Der Neubau steht unter der Leitung von Professor Laurens Molenkamp, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik III an der JMU. Im Mittelpunkt der Forschung dort steht die Erforschung von sogenannten „Topologischen Isolatoren“, die unter anderem die Grundlage für künftige Elektronik und Quantencomputer darstellen.

Der Forschungsbau bietet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern Laborräume zur Herstellung elektronischer Bauelemente unter Reinraumbedingungen sowie Experimentierhallen für physikalische Untersuchungen. Der Wissenschaftsrat hat diesen Forschungsbau im Jahr 2015 befürwortet; die förderfähigen Gesamtkosten werden durch den Bund und den Freistaat Bayern getragen.

Bauliche Konzeption

Der Forschungsbau besteht aus drei oberirdischen Geschossen und einem teilunterkellerten Untergeschoss mit Platz für Labore und zugehörige Nebenräume auf rund 640 Quadratmetern Nutzfläche – rund 385 Quadratmeter davon in Reinraumqualität. Weitere rund 400 Quadratmeter stehen für Büros zur Verfügung. Im ersten Stock befindet sich ein Technikgeschoss, das vorwiegend Flächen für die aufwendige Lüftungstechnik der Reinraumlabore im Erdgeschoss bereitstellt.

Die Gebäudehülle spiegelt die innere Funktion wieder: Der Baukörper erscheint nach außen als homogene Box mit einheitlicher Traufkante. Öffnungen und Einschnitte sind funktional begründet. Die Forschungs- und Technikflächen des Erd- und 1. Obergeschosses werden geschlossen ausgebildet. Ausschlaggebend hierfür sind die Laborräume, die sehr empfindlich auf Tageslicht und Wärme reagieren. Im Gegensatz dazu öffnet sich die Fassade des 2. Obergeschosses konsequent in zusammenhängenden Bändern, um einen direkten Bezug des Arbeitsumfeldes zur Umgebung herzustellen und Ausgleich zur introvertierten Laborarbeit zu schaffen.

Das Institut für Topologische Isolatoren (ITI)

Die Forschung zu topologischen Isolatoren hat sich in den vergangenen Jahren zu einem der aktivsten Felder im Bereich neuer Materialien entwickelt. Aufgrund des großen Potenzials für Informations- und Kommunikationsanwendungen und der allgemeinen Entwicklung der heutigen Informationsgesellschaft widmen sich international viele renommierte Forschergruppen und selbst Firmen wie Microsoft der Entwicklung von Bauelementen auf der Basis topologischer Isolatoren.

An dieser Stelle setzt das Konzept zu einem „Institut für Topologische Isolatoren“ (ITI) an. Die gegenwärtige Vorreiterrolle der Arbeitsgruppe von Professor Laurens W. Molenkamp auf diesem Gebiet soll durch den Forschungsbau mit einer weltweit einzigartigen Geräte-Infrastruktur und durch die Einrichtung von schlagkräftigen Forschungsgruppen an der Universität Würzburg weiter ausgebaut werden, um die Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zu Arbeitsgruppen vor allem in USA und Japan zu erhalten und auszubauen.

An dem Institut zukünftig die Forschungsgebiete der Materialherstellung, Analyse und lithographischen Strukturierung als Grundlage für die Bauelemententwicklung in einem Forschungsgebäude zusammengeführt. Durch die Verbindung sämtlicher Technologie-Teilbereiche mittels eines Ultra-Hoch-Vakuum-Transfersystems wird die Möglichkeit geschaffen, topologische Isolatoren in einer bisher nicht erreichten und weltweit einzigartigen Reinheit vom Wachstum bis zum Bauelement zu führen. Dies ist insbesondere aufgrund der empfindlichen, funktionalen Oberflächen ein entscheidender Innovationsvorsprung.

Topologische Isolatoren

Topologische Isolatoren sind eine neue Materialklasse mit einzigartigen elektrischen Eigenschaften. Ihre Existenz wurde erstmals 2007 am Würzburger Lehrstuhl von Laurens W. Molenkamp nachgewiesen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur an der Oberfläche elektrisch leitend sind, ansonsten einem konventionellen Isolator entsprechen. Zusätzlich weisen die elektronischen Oberflächenzustände abhängig von der Bewegungsrichtung eine feste Spin-Polarisation (Magnetisierung) auf, wodurch sie ein großes Potential für neuartige elektronische Bauelemente sowohl im Bereich der Spintronik als auch für die Realisierung von Quanten-Computern haben.

Für seine Forschungen wurde Laurens Molenkamp vielfach ausgezeichnet: Er erhielt unter anderem 2010 den renommierten Europhysics Prize, 2013 den Physics Frontiers Prize, 2014 den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft und 2018 den Bayerischen Maximiliansorden für Wissenschaft und Kunst.

Stimmen der Redner beim Festakt

„Dieser Neubau bietet für die weitere Entwicklung sowohl des Physikalischen Instituts als auch der gesamten Universität Würzburg sehr große Chancen, deren Ausmaß wir heute noch gar nicht ermessen können… An der Universität Würzburg hat es schon etliche große Entdeckungen gegeben – wie beispielsweise die Röntgenstrahlen. Ich bin überzeugt davon, dass Topologische Isolatoren das Potenzial für eine ähnliche Strahlkraft besitzen.“ Alfred Forchel, Präsident der Universität Würzburg

„Die Universität Würzburg ist hervorragend in der Lehre und Weltspitze in der Forschung. Davor kann man nur den Hut ziehen. Mit dem ITI schaffen wir ein dynamisches Forschungsfeld mit weltweit einzigartigen Arbeitsbedingungen. Dies verspricht neuartige und wegweisende Technologien für die Zukunft. Würzburg forscht hier am Puls der Zeit.“ Bernd Sibler, bayerischer Wissenschaftsminister

„Wir haben vor gut 13 Jahren im Labor etwas beobachtet, von dem wir schon damals wussten, dass es etwas Größeres ist. Topologische Materialien zeigen eine total neue Physik. Mit dem neuen Gebäude sind wir in der Lage, neue Materialien in höchster Qualität herzustellen und deren Oberflächen zu charakterisieren sowie deren Eigenschaften zu messen. Wir können dort ganz neue Experimente durchführen und neue, spannende Entdeckungen machen.“ Laurens W. Molenkamp, Leiter ITI

„Für die speziellen Anforderungen dieses Forschungslabors benötigt es eine spezielle Technik. So kommt beispielsweise im Reinraum eine äußerst leistungsstarke Lüftungsanlage zum Einsatz, die pro Stunde 14.000 Kubikmeter Luft umwälzen kann und gleichzeitig die hohen Anforderungen an Temperaturkonstanz und Strömung erfüllt.“ Jan Knippel, Staatliches Bauamt Bereichsleiter Universitätsbau

„Mit diesem Neubau setzt sich Würzburg an die Weltspitze bei der Entwicklung innovativer IT-Technik. Diese Grundsteinlegung wird möglicherweise als historischer Moment betrachtet werden in einer Zukunft, in der topologische Isolatoren nicht mehr wegzudenken sind. Dies ist ein guter Moment, der Julius-Maximilians-Universität dafür zu danken, dass sie die nationale als auch internationale Aufmerksamkeit auf unsere Stadt zieht.“ Adolf Bauer, Bürgermeister der Stadt Würzburg