Dominik Zumbühl, Extraordinarius für Physik an der Universität Basel und Projektleiter am Swiss Nanoscience Institut (SNI) sowie am Zentrum für Quantencomputer und Quantenkohärenz (QC2)

AusgewŠhlt Swissnano

Fasziniert von Physik und angetrieben vom Drang die Natur zu entdecken – so beschreibt sich Professor Dominik Zumbühl selbst. Obwohl nicht einmal 40 Jahre alt, forscht er bereits seit sechs Jahren mit seiner eigenen Gruppe am Departement für Physik an der Universität Basel. In dieser Zeit hat er nicht nur sein Team aufgebaut und Forschungsgelder in Millionenhöhe bewilligt bekommen, sondern mit seiner Forschung auch wesentlich zu einem besseren Verständnis der Quantenphysik beigetragen. Basierend auf Forschungsresultaten aus seinem Team konnte er kürzlich zusammen mit Forschenden des IBM Forschungslaboratoriums in Rüschlikon die Verletzung eines als allgemein gültig angenommenen Naturgesetzes nachweisen (siehe Titelgeschichte dieser Ausgabe).

Wenn man sich die Stationen in Dominik Zumbühls Lebenslauf anschaut, mag es den ein oder anderen erstaunen, was ihn nach prestigeträchtigen Stationen an der Stanford University, in Harvard und am MIT nach Basel getrieben hat. Er selbst empfindet es als Glücksfall hier gelandet zu sein. Denn in Basel war mit dem Nationalen Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften und dem daraus hervorgegangen Swiss Nanoscience Institut (SNI) bereits vor vielen Jahren die kritische Masse für erfolgreiche Forschung im Bereich der Quantenphysik vorhanden. Schon als sich Dominik Zumbühl 2006 in Basel bewarb, gab es die Gruppe von Professor Christian Schönenberger, der als Experimentalphysiker im Bereich der Molekularen Elektronik nicht nur für Kooperationen bereit stand, sondern auch eine hervorragende Infrastruktur am Departement für Physik aufgebaut hatte. Zudem gab es am Departement für Physik in Basel mit den Gruppen von Professor Christoph Bruder und Professor Daniel Loss exzellente Theoretiker, mit denen sich eine stimulierende Zusammenarbeit anbot. „Ich war noch sehr jung, als ich auf der Suche nach einer Professur war“, beschreibt er die Zeit, als er sich um die Stelle in Basel bewarb. „Der Arbeitsmarkt ist nicht immer so ideal, dass man sich aussuchen kann, wo man gerne hin möchte. Wichtig war für mich vor allem, gute Forschung betreiben zu können. Dass zu der Zeit als ich auf der Suche war, hier in Basel eine Professur ausgeschrieben war, ist ein glücklicher Zufall. Denn für mich ist die Situation hier ideal.“

Wichtige Meilensteine
In diesen letzten Jahren hat Dominik Zumbühl bereits eine Menge erreicht. Im Jahr 2008 wählte der Europäische Forschungsrats (ERC) seinen Projektvorschlag zur Kohärenz von Spins in halbleitenden Nanostrukturen unter über 9000 Bewerbern aus und gewährte ihm damit Forschungsgelder von 2.3 Millionen Schweizer Franken für seine Forschung. Dass dieses Geld gut investiert war, zeigen die jüngsten Veröffentlichungen aus der Zumbühl Gruppe (http://zumbuhllab.unibas.ch/pages/publications.htm). Gefragt nach den wichtigsten Erfolgen der letzten Jahre, führt er den Ausbau der Infrastruktur als wichtigen Punkt an. Sein Team verfügt jetzt über eine weltweit einzigartige Infrastruktur, die es erlaubt verschiedene Quantenphysik-Experimente parallel durchzuführen. „Zudem haben wir vermutlich ein neues Material entdeckt mit neuartigen magnetischen Eigenschaften,“ berichtet er. Vor wenigen Jahren wurde dies bereits von Daniel Loss und seiner Forschungsgruppe theoretisch vorausgesagt.

Bei diesem neuem Material wird die Wechselwirkung der Nukleonen-Spins untereinander dabei hauptsächlich über die Elektronenspins gesteuert und ist deutlich stärker als in anderen Systemen. Dieser Prozess ist vergleichbar mit der Kopplung der Elektronen in einem Supraleiter. Dort übernehmen Gitterschwingungsquanten, so genannte Phononen, diese verstärkende Verbindungsrolle. Der resultierende Magnetismus hat neuartige Eigenschaften. Die Kernspins richten sich nicht alle kollinear aus wie bei einem Ferromagneten, sondern zeigen eine kontinuierliche Verdrehung zwischen den einzelnen Spins. Es folgt eine helizoidale Magnet-Struktur, deren Wellenlänge durch die Wellenlänge des Elektrons gegeben ist.

Vor ein paar Jahren wurde Dominik Zumbühl in einem Interview nach seinen Zielen gefragt. Er erwiderte damals, dass seine Forschung zu einer Lösung des Kohärenzproblems betragen solle und er neue Physik bei tiefen Temperaturen zu entdecken hoffe. Mit seinen Untersuchungen hat er bisher das Kohärenzproblem zwar nicht vollkommen beseitigt, aber die Kohärenzzeit doch schon dramatisch verlängert. In seiner jüngsten Publikation konnte er in Zusammenarbeit mit verschiedenen Kolleginnen und Kollegen zeigen, dass ein altes Naturgesetz bei tiefen Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt keine Gültigkeit hat. Und nun hofft er, eine neue Materie gefunden zu haben. Dominik Zumbühl scheint also auf dem besten Weg zu sein, seine wissenschaftliche Suche nach neuen Phänomenen erfolgreich zu verwirklichen.

Mit dem Physik-Virus infizieren
Dominik Zumbühl ist jedoch nicht nur ein enthusiastischer Forscher, sondern auch ein motivierender und stimulierender Lehrer. Es ist ihm sehr wichtig auf den Entdeckungsreise in die Welt der Quantenphysik auch seine Studierenden und Doktorierenden mitzunehmen: „Ich selbst bin von Physik fasziniert und möchte auch meine Studierenden mit dem Physik-Virus infizieren. Die Faszination neue Phänomene zu untersuchen ist packend und hält dich am Ball, auch wenn es mal schwierig wird.“ In seinen Vorlesungen springt dieser Funke über und Dominik Zumbühl versteht es, schwierige Sachverhalte gut zu erklären. Die Studierenden in Basel haben ihm dies bereits durch die Verleihung der „Goldenen Kreide“ – einem Preis für die beste Vorlesung – bestätigt.

Die Freude seine eigene Begeisterung mit anderen zu teilen, macht bei Dominik Zumbühl nicht vor den Türen der Universität halt. So engagiert er sich bei öffentlichen Anlässen wie „Zuckerwelten“ oder „TecDays“, um Laien jeden Alters in die Quantenwelt einzuführen. Wenn er dann von seiner Motivation spricht, die Entwicklung des Quantencomputers voranzutreiben, geht es primär gar nicht um wissenschaftliche Details. Wichtiger ist ihm herauszustellen, wie viel schneller solch ein neuer Rechner wäre. Den Computer auf dem Schreibtisch würde er nicht ersetzen, wohl aber den ein oder anderen heutigen Rechner in einem grossen Rechenzentrum. Klimasimulationen und andere aufwendige Kalkulationen wären möglich, die heute kein Computer bewältigen kann. „Wir leben in einer spannenden Zeit“, stellt er heraus. „Die Quantenphysik ist schon über 100 Jahre alt. Aber erst heute haben wir die Technologie, um Theorien in Experimente umzusetzen.“

Ausgleich zu seinem vielfältigen Forschungsalltag findet Dominik Zumbühl schon seit vielen Jahren am Klavier. Schon während seiner Schulzeit an der Stiftschule in Engelberg spielte er Orgel, parallel zu seinem Studium an der ETH besuchte er das Konservatorium und auch als er aus den USA zurückkam, waren viele Noten im Gepäck. Seit 16 Monaten hat das Klavier allerdings starke Konkurrenz bekommen. Denn seither wartet seine kleine Tochter Nilufar darauf, mit ihm zu spielen und von ihm ins Bett gebracht zu werden. Von dieser lebendigeren und für den Laien viel einfacher vorstellbaren Seite der Natur scheint Dominik Zumbühl noch viel begeisterter zu sein als von der Quantenphysik.