Berlin, 11. Dezember 2025 — Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) freut sich, seine Beteiligung an einem neu bewilligten Projekt mit dem Titel „Atoms-to-Device Closed-Loop Predictive Design of Electro-Optic Materials for Quantum Photonic Circuits“ bekanntzugeben.

Das Projekt wird im Rahmen des Programms Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF) der U.S. National Science Foundation (NSF) durch eine gemeinsame NSF–DFG-Partnerschaft unterstützt, die die kollaborative Materialforschung zwischen Einrichtungen in Deutschland und den Vereinigten Staaten fördert. Es gehört zu den 25 DMREF-Projekten, die 2025 bewilligt wurden—eine Initiative, die 104 Forschende an 44 Universitäten in 25 US-Bundesstaaten sowie zahlreiche internationale Partner zusammenbringt, darunter die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG).

DMREF geht aus der Materials Genome Initiative (MGI) hervor, die darauf abzielt, intrinsische Materialeigenschaften auf atomarer Ebene vorherzusagen und neue wissenschaftliche Erkenntnisse schnell in fortschrittliche Technologien zu überführen – um so den Weg von der Grundlagenforschung zur Anwendung erheblich zu beschleunigen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat sich dieser integrierte, interdisziplinäre Ansatz aus Theorie, Modellierung und Experiment als äußerst erfolgreich erwiesen, um Materialinnovationen voranzutreiben.

Die Umsetzung von Materialdurchbrüchen in technologische Lösungen und industrielle Anwendungen wird jedoch häufig durch die sogenannte „Mesoscale Cliff“ erschwert. Die Leistungsfähigkeit von Bauelementen hängt nicht allein von Eigenschaften auf atomarer Ebene ab, sondern auch von Phänomenen, die auf mesoskaligen Längenskalen – von einigen zehn Nanometern bis zu wenigen Mikrometern – entstehen und bislang selten in prädiktive Designkonzepte integriert sind. Diese Lücke zu schließen gilt als eine der zentralen Herausforderungen der modernen Materialforschung.

Das Projekt setzt hier an und entwickelt eine grundlegende Wissensbasis für den Einsatz der nächsten Generation kryogener elektro-optischer Materialien, die epitaktisch auf Silizium integriert werden sollen und für chipskalige Quanten-Photonikschaltungen vorgesehen sind. Zu den vielversprechendsten Kandidaten zählen komplexe Oxide; jedoch verlangsamt das begrenzte Verständnis ihrer mesoskaligen Eigenschaften den Fortschritt. Diese Wissenslücke erschwert die Entwicklung leistungsfähiger Materialien, die für photonbasierte Quantenhardware und technologische Souveränität in diesem Bereich dringend benötigt werden.

Das Forschungsteam unter Leitung von Professor Venkatraman Gopalan (Pennsylvania State University, USA) wird diese „Mesoscale Cliff“ mithilfe eines umfassenden Atoms-to-Devices-Designframeworks (A2D) überwinden, das auf dem Materials Genome-Ansatz basiert. Das Projekt gliedert sich in drei miteinander verzahnte Forschungsschwerpunkte:

1. Dichtefunktionaltheorie-informierte thermodynamische Theorie der Elektro-Optik,
2. thermodynamisch integrierte Phasenfeldsimulationen,
3. phasenfeldintegrierte elektromagnetische Simulationspakete zur Entwicklung eines digitalen Zwillings physikalischer Modulatorbauelemente und ihrer Leistungsparameter.

Experimentelle Tests und Validierungen sind in allen drei Schwerpunkten verankert und umfassen Kristall- und Dünnschichtsynthese, Siliziumintegration sowie strukturelle und funktionale Charakterisierung von der atomaren bis zur Bauelementebene.

Das internationale Team vereint komplementäre Expertise: Die Profs. Venkatraman Gopalan und Long-Qing Chen (Pennsylvania State University, USA), Prof. Dibakar Datta (New Jersey Institute of Technology, USA) und Prof. Roman Engel-Herbert (PDI, Deutschland) bringen theoretische und computergestützte Methoden für Elektro-Optik, Phasenfeld- und elektromagnetische Simulationen, Hochdurchsatz-Thermodynamik, erstprinzipielle Berechnungen sowie KI/ML-Ansätze ein. Diese werden mit modernster Dünnschichtsynthese, Materialcharakterisierung und der Herstellung von Prototypbauelementen kombiniert, um einen experimentell validierten digitalen Zwilling über alle relevanten Längenskalen hinweg zu entwickeln.

Der elektro-optische (EO) Effekt – die Änderung des Brechungsindex eines Materials unter einem angelegten elektrischen Feld – bildet die Grundlage moderner optischer Kommunikationstechnologien. EO-Modulatoren sind nicht nur essenziell für die heutige Internetinfrastruktur, sondern auch zentrale Bausteine für die entstehende Quantenphotonik, optische Interconnects für Hochleistungsrechner sowie photonische neuronale Netze. Zukünftige EO-Materialien und -Bauelemente müssen bei hohen Frequenzen (5–100 GHz), mit extrem niedrigem Energieverbrauch (<1 pJ/bit), bei kryogenen Temperaturen (10–20 mK), geringen optischen Verlusten und direkter epitaktischer Integration auf Silizium arbeiten. EO-Koeffizienten von über 1000 pm/V – mehr als das 30-Fache des aktuellen Industriestandards – sind dafür entscheidend.

Indem das Projekt die Lücke zwischen atomarem Design und Bauelementleistung schließt, sollen grundlegende Prinzipien für die Entdeckung und Entwicklung nächster Generationen quanten-, nanoelektronischer und photonischer Materialien etabliert werden. Die Beteiligung des PDI stärkt seine internationalen Kooperationen und unterstreicht die einzigartige Expertise des Instituts in der Synthese und Integration strukturell und chemisch unterschiedlicher Materialien mit atomarer Präzision. Zudem markiert das Projekt einen weiteren Schritt hin zu einem digital unterstützten Innovationsprozess am PDI, der die herausragenden Epitaxie-Fähigkeiten des Instituts mit datenbasiertem prädiktivem Design verbindet.

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Über das PDI
Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) in Berlin, Deutschland, ist ein führendes Forschungsinstitut, das sich auf die grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung an der Schnittstelle von Materialwissenschaft, Festkörperphysik und Bauelementeentwicklung spezialisiert hat. Mit einem besonderen Fokus auf niedrigdimensionalen Halbleiterstrukturen ist es die Mission des PDI, neue Funktionalitäten für zukünftige Technologien zu inspirieren und zu demonstrieren.
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