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Präzisionslabore zur Entwicklung neuartiger Quantensensoren

20. Mai 2015;

Der Wissenschaftsrat hat in seiner Frühjahrssitzung das geplante Zentrum für Angewandte Quantentechnologie (ZAQuant) an der Universität Stuttgart zur Förderung aus dem Programm Forschungsbauten des Bundes und der Länder empfohlen. Der Neubau mit Präzisionslabors und einem Bürotrakt soll 40 Millionen Euro kosten und Arbeitsgruppen aus der Quantenoptik, der Atom- und Festkörperquantenphysik, dem Maschinenbau sowie der Elektro- und Fertigungstechnik Raum bieten.

„Ziel der Forschungsarbeiten im ZAQuant ist es, neuartige nanophotonische Quantensensoren zu entwickeln, um wegweisende Fortschritte in Empfindlichkeit, Spezifizität und Energieeffizienz in der Sensorik zu erreichen“, erklärt Prof. Jörg Wrachtrup, dessen 3. Physikalisches Institut die Federführung für das Projekt hat. Die Sensoren sollen dabei jüngst entwickelte Prinzipien der Quantenphysik und der Nanophotonik nutzen und miteinander kombinieren.

Quantensensoren sind nicht nur in praktisch allen Bereichen mehrere Größenordnungen empfindlicher als klassische Sensoren, sie erlauben zudem die Verknüpfung von Messergebnissen mit atomaren Größen. Bisher sind jedoch noch keine Quantensensoren so weit entwickelt worden, dass sich ein technischer Einsatz abzeichnet. Diese Lücke soll das neue Zentrum schließen. Neben der grundlegenden Erforschung aktiver Sensorelemente sowie der Peripherie und Ansteuerung von Quantensensoren haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dabei insbesondere die Integration von quanten- und nanophotonischen Effekten in Devices (abgeleitet von engl. Geräte) im Blick. „Wir wollen in dem Zentrum erstmals in der Praxis anwendbare Quantensensoren, zum Beispiel für die Fahrzeug- oder Informationstechnik, entwickeln“, erklärt Prof. Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart, der das Forschungsprogramm mit entwickelt hat.

An der Weiterentwicklung der physikalischen Grundlagen der Quantensensorik wird derzeit In verschiedenen Forschungseinrichtungen weltweit geforscht. Auch Firmen wie Microsoft und Google Labs arbeiten an der systemischen Integration klassischer Sensoren. Der am ZAQuant verfolgte Forschungsansatz ist jedoch international einmalig, denn er strebt über die physikalischen Grundlagen und spezifische Plattformen wie zum Beispiel Diamant oder Quantengase hinaus systematisch die Kombination verschiedener Quantensensoren sowie deren Integration an mit dem Ziel, Quantendevices zu erstellen.

Die einzelnen Komponenten der Devices enthalten sehr spezifische Quantenmaterialien in zum Teil für die Nanotechnologie bisher vollkommen unzugänglichen Aggregatzuständen. Da diese Materialien weiterentwickelt werden müssen und speziell abgeschirmte Laboratorien für die Vermessung der Sensoren notwendig sind, soll der Forschungsbau eine neuartige Infrastruktur bereitstellen. Hierzu gehören ein Labor für die Synthese ultrareiner („quantum grade“) Quantenmaterialien, ein Labor für die Präzisionsstrukturierung von Quantenmaterialien sowie ein Labor für die Präzisionsmessungen von Quantensensoren. Insgesamt sollen 15 Arbeitsgruppen und drei ZAQuant Fellows mit etwa 74 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern dauerhaft im Zentrum tätig sein, die von einer Geschäftsstelle und technischem Personal unterstützt werden.

Die Universität Stuttgart verfolgt mit dem ZAQuant zudem eine neue Strategie in der interdisziplinären Nachwuchsförderung. Insbesondere werden drei Nachwuchsgruppen eingerichtet, die gleichzeitig an zwei beteiligten Fakultäten beziehungsweise Institutionen tätig sind und damit den Technologietransfer und Wissensaustausch fördern sollen. Zudem stellt die Universität Stuttgart Mittel für ZAQuant-Fellowships für Frauen bereit, mit denen gezielt Forschungsarbeiten von Wissenschaftlerinnen am Zentrum gefördert und die weltweit ausgeschrieben werden.

Weitere Informationen:
Prof. Jörg Wrachtrup, Universität Stuttgart, 3. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685- 65278, E-Mail: j.wrachtrup (at) physik.uni-stuttgart.de
Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176,
E-Mail: andrea.mayer-grenu (at) hkom.uni-stuttgart.de