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Forschungsabteilung Quantensysteme

Wissenschaftliches Profil

Die Forschungsabteilung erforscht Quanten-, quantenoptische sowie atomphysikalische Phänomene in atomaren sowie festkörperbasierten Quantensystemen und innovative Materialien um diese für Anwendungen nutzbar zu machen. Einen Forschungsschwerpunkt bilden neue, quantenlimitierte photonische Magnetometer z.B. Einzelsensoren höchster Auflösung und Sensorarrays in bildgebenden Kameras für Anwendungen in der Biophotonik und der Geophysik. Die Forschungsarbeiten decken dabei die komplette Kette von der Entwicklung neuer Arbeitsmodi, über innovative Aufbau-, Verbindungs- und Systemtechnologien bis hin zu verwendungsbereiten Messinstrumenten und den dazugehörigen Datenauswertungsverfahren ab.

Im zweiten Themenkomplex fokussieren sich die Arbeiten auf tiefkalte, supraleitende Schaltungen. Hier werden Quanteneffekte in Schaltungen aus Elementen, wie Resonatoren, Josephson-Kontakten, supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren und Quantenbits grundlegend untersucht und genutzt, um u.a. neue quantenlimitierte Sensoren und Messsysteme, Quantenschaltungen und hybride Quantensysteme sowie Interfaceschaltungen zu realisieren.

Schema einer OPM-basierten Magnetfeldkamera. Sie erlaubt die räumlich aufgelöste Messung von Magnetfeldverteilungen, z.B. lebender Kleintiere, mit pT-Empfindlichkeit, mm-Auflösung bei Videorate. Jeder der einzelnen Laserstrahlen definiert ein einzelnes „OPM-Pixel“ in der ausgedehnten, dünnen Alkalidampfzelle.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Quantenmetamaterials bestehend aus 23 einzelnen supraleitenden Quantenbits zur Kontrolle von Mikrowellenstrahlung.
Abb. 3: Instrument mit Leibniz-IPHT Sensorik in Erprobung einer elektromagnetischen Methode zur Rohstoffexploration bei Kiruna (Nordschweden). (Quelle:V. Schultze et al., Sensors 17 (2017), 561)

Forschungsthemen

Der Fokus richtet sich hin auf Wirkprinzipien, Herstellung, Betrieb und Systemintegration von Quantensystemen und -sensoren auf Basis der Mikro- und Nanotechnologien.

  • Entwicklung von Quantensensoren auf Basis von optisch gepumpten Magnetometern (OPM): integrierte, miniaturisierte OPM-Sensoren und Arrays für die biophotonische Bildgebung sowie Geo- und Umweltwissenschaften, neuartige Auslesemodi, faserbasierte OPMs,
  • Erforschung, Design und Charakterisierung mikrostrukturierter Festkörper-Quantenschaltungen für höchstsensitive Detektoren und wissenschaftliche Instrumente,
  • Erforschung und Entwicklung von einzelnen und Arrays von Quantenbits sowie entsprechenden Wechselwirkungsprinzipien mit Mikrowellenstrahlung und Kontrollfeldern,
  • Grundlagenforschungen zu Eigenschaften und Anwendungen neuer Materialien wie z.B. NbN,
  • Maßgeschneiderte, komplexe Instrumente für verschiedene Anwendungen und Plattformen einschließlich innovativer Datenverarbeitungs- und 3D-Inversionstechniken.

Anwendungsbereiche

Anwendungsbereiche ergeben sich in Medizin, Umwelt- und Geowissenschaften sowie der Grundlagenforschung an der Stelle, wo die Verwendung von Quanteneffekten verbesserte bzw. neue Funktionalität bietet:

  • (fetale) Magnetokardiographie und -enzephalographie; Biosuszeptometrie, Magnetorelaxometrie,
  • Geophysikalische Exploration: magnetische Verfahren (Vektormagnetometrie und Volltensorgradiometrie) und elektromagnetische Verfahren,
  • Mikrowellen-Einzelphotonen-Detektoren, supraleitende Quanten-Interferenz-Detektoren (SQUID) sowie Auslese-, Kontroll- und Interfaceschaltungen: Mikrowellen-Multiplexer, supraleitende Digitalelektronik (AQFP, RSFQ), 
  • Physik jenseits des Standardmodells z.B. Suche nach Axionen: OPMs in GNOME, supraleitende Mikrowellenverstärker.
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Feldversuch mit dem "Terra-Scanner"
Mit Hilfe eines aktiven elektromagnetischen Verfahrens zur Erfassung der Bodenleitfähigkeit wollen Dr. Sven Linzen (rechts) und Stefan Dunkel ein besseres Verständnis über geologische Strukturen erhalten.