Aus den Wolken auf die Erde und zurück

Rüdiger Maier

Sie haben vor 15 Jahren den Physik-Nobelpreis bekommen und gelten als einer der führenden Spezialisten in der Nanotechnologie. Wie beurteilen Sie heute dieses Gebiet und welche Fragen beschäftigen Sie in diesem Zusammenhang ?

Der Physiker und Nobelpreisträger Gerd Binning Der 1947 in Frankfurt am Main geborene Gerd Binning wollte schon mit zehn Jahren Physiker werden und verwirklichte diesen Wunsch auch. 1986 erhielt er gemeinsam mit dem heute bereits pensionierten Schweizer Heinrich Rohrer für die Erfindung des Raster-Tunnelmikroskops den Nobelpreis für Physik. Die beiden am IBM Forschungslabor Zürich in Rüschlikon tätigen Wissenschafter eröffneten mit ihrer Erfindung die Nano-Welt, die Welt der Atome. Das Messprinzip des Mikroskops beruht auf einem winzigen Strom zwischen einer Mess-Spitze und der Probe. So kann die Spitze im immer gleichen Abstand über die Oberfläche fahren. Heute können die Forscher mit der Mikrospitze schon einzelne Atome bewegen und ebnen so den Weg für einen ganzen Industriezweig: die Nanotechnologie.

Zur Zeit interessiert mich das Thema Komplexität am meisten. Millipede (siehe Kasten) ist die eine Annäherung an dieses Thema, nämlich von der Hardware her über Nanotechnologie. Es wird sehr viel von Nanotechnologie gesprochen, aber niemand kann eigentlich klar sagen, wozu das dienen soll. Meist fällt den Leuten dazu nur ein: Es ist dann alles kleiner und damit noch schneller. Und vielleicht noch, dass es auch billiger wird. Das sind sicher auch ganz wichtige Faktoren. Aber das Interessanteste an der Nanotechnologie ist für mich, dass man damit sehr komplexe Dinge tun kann. Weil alles klein ist, entwickelt sich daraus eine neue Art, Daten zu verarbeiten. Nicht, dass dann alles einfach noch kleiner wird. Vielmehr werde ich in einem solchen Prozessor eine Struktur haben, die heute gar nicht denkbar ist.

Das ist ein bisschen wie in unserem Gehirn: Wir besitzen ein Sprachzentrum und viele andere Zentren, die unterschiedliche Daten verarbeiten. Daneben existiert eine Vorverarbeitung der Daten wie in der Retina in unseren Augen, wo auch schon Intelligenz drin ist. Es geht also Richtung Spezialistentum: Nicht ein Prozessor kann alles, sondern viele Prozessoren können vieles. Die müssen aber noch irgendwie geschickt miteinander agieren. Wie das allerdings funktionieren soll, wissen wir heute noch überhaupt nicht.

Das alles wird jedenfalls die Nanotechnologie ermöglichen, weil dann auf engem Raum sehr viel Komplexität unterzubringen ist. So funktioniert ja auch unser Körper. In jeder Zelle laufen in den Proteinen ganz unterschiedliche Programme ab und jedes Protein ist auf etwas spezialisiert. Und dann wirken sie auch gemeinsam. Deshalb finde ich das Thema Komplexität so spannend. Beim Milliped bewegen wir uns in diese Richtung. Im Moment machen dort die über 1000 Spitzen dasselbe - sie lesen und schreiben Bits. Das ist aber nur der Anfang - irgendwann werden die alle sehr unterschiedliche Dinge tun können.

Soll das in Richtung "Künstliche Intelligenz" gehen?

Der Begriff "Künstliche Intelligenz" ist etwas in Verruf geraten, daher nenne ich das lieber "Natürliche Intelligenz". Die "Künstliche Intelligenz", wie sie bisher verwendet wurde, war zu künstlich. Ich denke, man muß etwas finden, was natürlicher ist. Der Mensch kann ja mit Komplexität umgehen, viel besser, als eine Maschine. Wir können etwa kontextabhängig denken: Wir hören ein Wort und das verstehen wir in einem Kontext völlig anders als in einem anderen Kontext. Und das Wort ist auch ganz anders gemeint in einem anderen Kontext. Das kann eine Maschine heute noch nicht: Die kann nicht kontextabhängig denken. Sie kann nicht etwa über Biologie kommunizieren und dann plötzlich über Kunst. Der Mensch merkt diesen Übergang innerhalb von Sekunden. Diese Fähigkeit hat der Computer nicht, kann das aber vom Menschen lernen. Diese haben verschiedene Fähigkeiten entwickelt, die die Neurophysiologen immer weiter erforschen.

Sie wollen sich also an den Grundprinzipien des menschlichen Denkens anlehnen und die immer weiter in die Computer übertragen. In Wien gibt es ja mit Prof. Trappl ein bekanntes Institut für "Künstliche Intelligenz".

Millipede für höchste Speicherdichte Peter Vettiger leitet die Gruppe Mikro- und Nanomechanik am IBM Forschungslabor Zürich, in der auch Gerd Binning arbeitet. Hier entstand ein Nanospeicher, der die Information nicht mehr magnetisch speichert, sondern mechanisch, in Form von winzigen Dellen. Diese werden von den winzigen Spitzen kleiner Rasterkraftmikroskope (AFM-Cantilever: Winzige Federzunge mit einer Spitze) in einen Kunststoff gedrückt. Die Informationen können durch Wärmeeinwirkung wieder gelöscht werden, wodurch auch die Wiederbeschreibbarkeit gewährleistet ist. Kürzlich wurden so Speicherdichten von bis zu 500 Gbit/in² mit thermomechanischem Schreiben und thermischem Auslesen erzielt. Diese Speicherdichte ist um etwa das 15fache höher als die besten heutigen Forschungsergebnisse in der magnetischen Datenspeicherung. Das Problem der Spitzen ist aber ihre geringe Lesegeschwindigkeit. Daten können nur mit einer Rate von einigen Mbit/s gelesen werden. Betreibt man aber viele solcher AFM-Cantilever in paralleler Anordnung, so lässt sich die Datenrate wesentlich verbessern. Kürzlich wurden erstmals über 1000 Spitzen auf einem Chip verankert und haben dem revolutionären Speichermedium den Namen Millipede (Tausendfüssler) eingetragen. Anwendungsmöglichkeiten für das mechanische Speichersystem sehen die Forscher vor allem dort, wo der Platz begrenzt und die Energie knapp ist. Also bei tragbaren Geräten wie dem Handy, Laptop, Fotoapparat oder der Videokamera. Aber auch Speicher mit Kapazitäten im Terabit-Bereich behalten die Wissenschafter im Auge.

Es gibt viele Orte, wo Wissenschaftler in diese Richtung denken. Aber viele Ansätze sind nicht ganz so, wie ich das meine. Der Ansatz der "Neuronalen Netze" ist angelehnt an das Gehirn, dort hat man versucht, das Gehirn nachzubauen. Das finde ich aber zu anspruchsvoll, weil ich bei den Neuronen anfange, um die menschliche Denkweise nachzubauen. Das würde ich aber so am Anfang nicht machen wollen.

Ich möchte bei Konzepten vom menschlichen Denken anfangen, von denen wir auch etwas verstehen. Und nicht diese Konzepte sich selbst entwickeln lassen aus künstlichen Neuronen. Das dauert einfach zu lange, denn da müssten wir die lange Evolution unseres Geistes innerhalb von Tagen oder Jahren nachvollziehen. Das halte ich für unmöglich.

Ich möchte auf einer höheren Etage einsteigen. Wir wissen ja bereits einiges über die Art und Weise, wie wir denken. Da gibt es noch nicht so viele Ansätze. Vielleicht die Expertensysteme, die mit logischem Denken funktionieren. Dies sind mir aber zu wenig netzhaft, mehr baumartig. Die heutigen Mikroprozessoren sind ja schon recht netzhaft, werden das aber in Zukunft noch wesentlich verstärken. Wenn man nur die Drähte am Mikroprozessor anschaut, so stellt man schon heute fest, dass auf jeder Skala Vernetzungen vorhanden sind. Viele lange Verbindungen von einer Ecke in die andere, und noch viel mehr kurze. Es sind alle Entfernungen vertreten, je länger, desto seltener.

Das Denken in Netzwerken wird das Entscheidende sein, sowohl in der Nanotechnologie als auch in der Software. Dort werden die Prozesse softwaremäßig modelliert, und gerade dort muß man sehr stark in Netzwerken denken. Das ist heute noch nicht der Fall. Heutige Software ist baumartig aufgebaut. Man kann immer tiefer klicken, den Ast entlang. Das ist aber kein Netzwerk und ich kann nicht mit Assoziationen und ähnlichem arbeiten.

Ich denke über Netze nach, die sich selbst organisieren. Wo je nach Kontext eine andere Organisation im Netzwerk passiert. Da kommen auch meine Software- und Hardwareprojekte zusammen, was zu einer kontextabhängigen Selbstorganisation und damit zu einer gewissen Intelligenz führen soll.

Man muß auch berücksichtigen, dass wir heute schon - etwa beim Milliped - über der mechanischen Schicht noch eine elektronische haben, die eine gewisse Intelligenz einbringt. So können wir zwei Nadeln miteinander verknüpfen. Im nächsten Schritt, den wir bald machen wollen, muß sich diese Information noch über das Ganze vernetzen

Dafür müssen Sie aber wahrscheinlich die Physik zeitweise verlassen und sich auch anderen Wissenschaftsgebieten widmen ?

Ja, ich treffe mich beispielsweise alle zwei Wochen mit einem Psychologen, um zu sehen, wo hier der Stand der Dinge ist. Das ist sehr interessant für mich. In der Nanotechnologie ist man grundsätzlich gewohnt, interdisziplinär zu arbeiten. Dieses Wissensgebiet verbindet im Moment Biologie, Chemie und Physik. Und es gibt Überlegungen, ob man nicht auf den Universitäten diese neue Disziplin einführen sollte. Sie dürfte aber nicht isoliert, sondern müsste mit anderen Fachgebieten vernetzt sein. Dafür bedürfte es allerdings großer Veränderungen auf den Universitäten. Es gibt eine gewisse Vernetzung etwa beim Physikstudium, wo ich auch Mathematik lernen muß. Aber ich könnte mir das viel intensiver vorstellen. Immerhin passiert mit diesem Ziel heute schon einiges bei neuen Universitäts-Einrichtungen. Da geben etwa Leute Geld für ein Nanotechnologie-Institut, allerdings mit der Auflage, dass die verschiedenen Disziplinen miteinander verknüpft sein müssen. Sonst würde der Geldfluß versiegen.

Beispielsweise sitzen in dem neuen Nanowissenschaftsinstitut in Basel Spezialisten für Chemie, Physik und Biologie. Die werden dort oft am selben Experiment arbeiten, und sich im ersten Jahr recht mühsam eine gemeinsame Sprache erarbeiten müssen, die es heute noch nicht gibt. Auch die neue Disziplin "Computerwissenschaften" ist noch jung, aber leider nicht vernetzt. Da muß jeder Studierende dann zwar verschiedene Gebiete beherrschen, aber die Vernetzung fehlt. Für die Nanotechnologie müsste man aber eine Struktur schaffen, wo eine solche Isolierung erst gar nicht möglich ist. Wir leben ja im Jahrhundert des Vernetzens und das muß sich auch in den Strukturen äußern. In den Umweltwissenschaften hat man schon früher Interdisziplinarität versucht. Ich finde aber nicht, dass das dort gut gelungen ist, obwohl gerade im Umweltbereich eine Vernetzung eigentlich unumgänglich ist.

Was sind heute Ihre Hauptarbeitsgebiete ?

Je zur Hälfte die Nanotechnologie und das Thema Komplexität mit starkem Bezug auf Software. In diesem Labor beschäftige ich mit seit etwa 20 Jahren mit Nanotechnologie. Mit unserer Entwicklung des Raster-Tunnelmikroskops wurde Nanotechnologie ja erst möglich. Denn erst wenn man ein Atom berühren kann wird klar, dass die Nanowelt nun in Reichweite ist. Vorher konnte man nur mit dem Elektronenstrahl beobachten, war man aber noch nicht am einzelnen Atom dran. Also haben wir sicher einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung der Nanotechnologie geliefert.

Und sie haben dabei auch immer einen Blick auf die mögliche Verwertbarkeit dieser Entdeckungen bewahrt !

Das hat für mich schon eine gewisse Faszination: Von den ersten wissenschaftlichen Grundlagen bis hin zu ersten Produkten konnte ich diese Spitzentechnologie mitgestalten. Da waren sogar manchmal einige Marketinggedanken mit dabei - das finde ich sehr befriedigend. Wenn man ein Millipede machen will, muß sich auch ein Forscher über das Marketing Gedanken machen. Dabei bewegt man sich ja in ganz unterschiedlichen Umgebungen: Beim Raster-Tunnelmikroskop sitzt man im Labor, dreht an Knöpfen und arbeitet für sich allein. Das kann man im Marketing nicht, da ist die Vernetzung sehr wichtig. Ein guter Marketing-Experte sollte aber auch sehr viel über das Produkt und seine Entwicklung wissen, um das auch vermitteln zu können.

Wir haben aber schon einmal mit einer Firma zusammengearbeitet, um ein Produkt zu entwickeln. Nach dem Bau des Prototyps kam die Frage: Wie kann man das auch billig produzieren. Aber da sind wir mit dem Labor nicht mehr dabei.

Mit Millipede sind wir schon über das Stadium hinaus, nur zu zeigen, das es funktioniert. Wir überlegen konkret, wie geht das in eine Uhr hinein, wie lässt sich das entsprechend verkleinern. Es gibt offenbar eine Marktlücke für ein Speichermedium, das wenig Energie verbraucht.

Sind Sie bei diesen Weiterentwicklungen noch aktiv dabei ?

Irgendwann werde ich da sicher aussteigen, vielleicht so in zwei Jahren. Beim Raster-Tunnelmikroskop war ich sieben Jahre dabei, dann habe ich gemerkt, das können andere jetzt besser und widmete mich neuen Dingen. Über eine kürzere Periode beschäftigte ich mich mit dem Kraftmikroskop, aber da kamen von anderen bald auch neue Ideen. Jetzt bin ich beim Milliped auch schon sieben Jahr involviert und alle sieben Jahre sollte man etwas Neues machen.

Wahrscheinlich wollen Sie immer dann etwas Neues machen, wenn die Dinge anfangen, zu standardisiert abzulaufen ?

Ja, nach einer gewissen Reifungsphase werden Themen wichtig, von denen andere Leute mehr verstehen. Ich gehe gerne in Gebiete, wo noch niemand ist, wo ich noch ein bisschen einsam bin. Da fühle ich mich wohl, da habe ich mehr Zeit zum Spielen und muß nicht so viel lesen. Denn lesen ist mir zu langsam, ich will lieber mit selbst denken etwas bewirken. Und die Komplexität ist dieses neue Thema für mich. Das war auch beim Raster-Tunnelmikroskop ganz ähnlich: Ich kam von der Supraleitung und stieg in die Nanotechnologie um.

Sie gehen also immer mehr weg von der Hardware, hin zu Software und komplexen Strukturen ?

Ja, das ist bei mir so angelegt: Weg von der Hardware, hin zu Software. Auch wenn das manchen Leuten hier in unserer Abteilung nicht so gut gefällt. Für mich ist die Nanotechnologie nach wie vor spannend, ist aber nicht mehr mein Thema. Noch spannender finde ich zur Zeit das Thema "Wie funktioniert unser Verstand" und dabei auch die Frage, wie lässt sich das auf Computer übertragen. Aber die zwei Themen kommen irgendwann zusammen. Heute wissen wir noch nicht, was ein Nano-Transistor sein wird oder ob wir im Quanten-Computing weitermachen. Da liegt noch viel im Verborgenen.

Sie kommen also gerne aus den Wolken auf die Erde und wieder zurück zu neuen Ideen ?

Das ist ein sehr treffendes Bild für mein Vorgehen!

(Alle Bilder: IBM Forschungslabor Zürich)