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Herausragende Forschungsergebnisse beim Quantenanomalen-Hall-Effekt und in der Femtosekundenphysik
Auch wenn die Vorsilben „Nano“, „Femto“ und „Atto“ eher Kleines vermuten lassen, steckt dahinter oft große Physik und beeindruckende Technik. So werden in diesem Jahr zwei Forschungsgruppen mit dem Helmholtz-Preis ausgezeichnet, die auf ihrem jeweiligen Gebiet Genauigkeitsrekorde aufgestellt haben. In der Kategorie „Präzisionsmessung in der Grundlagenforschung“ ist es Forschenden der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Universität Würzburg gelungen, den Quantenanomalen Hall-Effekt auf einem neuen Präzisionsniveau im Nanobereich (wenige Teilen in einer Milliarde; Nano = 10–9) zu vermessen. Dies ist mit besonderen topologischen, zweidimensionalen Materialien gelungen. Damit ist die Tür zu einem neuen Typ elektrischer Quanten-Widerstandsnormale aufgestoßen. In der Kategorie „Präzisionsmessung in der angewandten Messtechnik“ geht der Preis an Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen. Mit einer völlig neuen Technik, der sogenannten „Femtosekunden Feldoskopie“ (Femto = 10–15), können optische elektrische Felder von ultraschnellen Phänomenen hochpräzise untersucht werden. Daraus ergeben sich beispielsweise neue Möglichkeiten für die markierungsfreie Bio-Bildgebung und die Erkennung von Zielmolekülen in wässrigen Umgebungen. Vergeben werden die beiden Preise, die mit jeweils 20.000 Euro dotiert sind, am 25. August 2026 im Rahmen einer wissenschaftlichen Konferenz am Institut Berlin der PTB.
Quantenanomaler Hall-Effekt:
Der elektrische Widerstand ist bereits seit vielen Jahrzehnten in der Quantenwelt zuhause. So wird die Widerstandseinheit Ohm über den Quanten-Hall-Effekt (QHE) realisiert, bei dem in starken Magnetfeldern und bei tiefen Temperaturen charakteristische Plateauwerte des Widerstands auftreten. Dieses äußere Magnetfeld verhindert jedoch, QHE-Widerstandsnormale mit Quanten-Spannungsnormalen basierend auf dem Josephson-Effekt in einem gemeinsamen Kryostaten zu integrieren, da der Josephson-Effekt keine Magnetfelder duldet.
Mithilfe neuartiger Materialien ist es jedoch möglich, einen Quanten-Hall-Effekt auch ohne externes Magnetfeld zu erzeugen. Dieser Quantenanomale Hall-Effekt (QAHE) nutzt dabei die exotischen physikalischen Eigenschaften von magnetisch dotierten toplogischen Isolatoren (TI) aus. Den mit dem Helmholtz-Preis ausgezeichneten Forschern ist dabei ein experimenteller „Universalitätstest“ gelungen, der auf höchstem Präzisions- und Genauigkeitsniveau Widerstandswerte erzielt, die mit denen beim QHE übereinstimmen. Die Herstellung des magnetisch dotierten Materials, also die QAHE-Probe, erfolgte im „Institut für Topologische Isolatoren“ der Universität Würzburg, während die Präzisionsmessungen des Hall-Widerstands vom Fachbereich „Elektrische Quantenmetrologie“ der PTB durchgeführt wurden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben es, einen neuen Typ elektrischer Quanten-Widerstandsnormale zu etablieren und ein universelles integriertes Quantenmetrologie-System aus primären elektrischen Widerstands- und Spannungsnormalen zu entwickeln.
Femtosekunden-Feldoskopie:
Um den Mikro- und Nanokosmos in der belebten und unbelebten Natur zu erforschen, bedarf es besonderer Techniken in der Mikroskopie und Spektroskopie. Die von Hanieh Fattahi und ihrer unabhängigen Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts entwickelte Femtosekunden-Feldoskopie (ein Begriff, den Fattahi selbst erfand) stellt dafür eine bahnbrechende Messtechnik dar, die mit Superlativen nicht geizt. Diese neue Methode, die mit ultrakurzen Laserpulsen arbeitet, öffnet ein neues Beobachtungsfenster in die Welt im Kleinen, wo Prozesse, etwa die Wechselwirkungen von Licht mit Materie, sehr schnell, also auf sehr kurzen Zeitskalen (im Bereich von Femto- oder Attosekunden), ablaufen. Die Femtosekunden-Feldoskopie ermöglicht es, die Eigenschaften des elektrischen Feldes optischer Strahlung unter Umgebungsbedingungen, also nicht nur im Vakuum, auszulesen, sodass auch biologische Proben untersucht werden können.
Die beeindruckenden Charakteristika dieser Methode: eine Erfassungsbandbreite im Petahertz-Bereich, eine zeitliche Auflösung im Attosekundenbereich, eine Empfindlichkeit bis hinunter zu Femtojoule-Energien, eine Erfassungsdynamikbereich von über 100 dB und eine räumliche Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze des Lichts. Damit vereint diese Methode wichtige Eigenschaften und stellt ein breit einsetzbares Werkzeug für die Spektroskopie, die Bildgebung und für grundlegende Untersuchungen der Licht-Materie-Wechselwirkung dar.
Direkte Anwendung findet diese neue Messtechnik etwa bei der Untersuchung von Licht-Molekül-Wechselwirkungen in Flüssigkeiten, bei der Messung atmosphärischer Gase, bei Zelluntersuchungen oder bei der Super-Resolution-Mikroskopie ohne Markierung, also ohne die Verwendung von Farbstoffen oder Markern.
Der Preis:
Der Helmholtz-Preis (https://www.helmholtz-fonds.de/helmholtz-preis/) ist ein ganz besonderer Maßstab in der Welt der Metrologie. Er gilt als der „Metrologie-Nobelpreis“ und ist damit das Aushängeschild des Helmholtz-Fonds, der den Preis alle zwei Jahre für hervorragende wissenschaftliche und technologische Forschung auf dem Gebiet der Präzisionsmessungen in Physik, Chemie und Medizin verleiht. In jeder der beiden Kategorien „Grundlagen“ und „Anwendungen“ ist er mit 20.000 Euro dotiert. Der Helmholtz-Fonds e. V. ist ein einzigartiger gemeinnütziger Verein, der sich seit jeher der Förderung des wissenschaftlichen Fortschritts der Messtechnik verschrieben hat. Zu Ehren des Mitbegründers und ersten Präsidenten der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR), dem Ausnahmeforscher Hermann von Helmholtz, trägt der Verein seinen Namen.
jes/ptb
Helmholtz-Preis 2026: Präzisionsmessungen in der Grundlagenforschung
Die Preisträger:
• Dinesh K. Patel, PTB, Fachbereich Elektrische Quantenmetrologie (jetzt bei: 1A Cal GmbH, Kassel)
• Kajetan M. Fijalkowski, Universität Würzburg, Fakultät für Physik und Astronomie und Institut für Topologische Isolatoren, Würzburg
• Mattias Kruskopf, PTB, Fachbereich Elektrische Quantenmetrologie
Wissenschaftliche Arbeit:
• Patel, D.K., Fijalkowski,K.M., Kruskopf, M. et al. A zero external magnetic field quantum standard of resistance at the 10−9 level. Nature Electronics 7, 1111–1116 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01295-w
Kontakt:
• Dr. Hansjörg Scherer, Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 38116 Braunschweig, E-Mail: hansjoerg.scherer@ptb.de
Helmholtz-Preis 2026: Präzisionsmessungen in der angewandten Messtechnik
Die Preisträger:
• Anchit Srivastava, Andreas Herbst, Kilian Scheffter, Soyeon Jun, Steffen Gommel,
Peter Antonius Aldegonda Dullens, Hanieh Fattahi
alle: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Femtosekunden-Feldoskopie
Wissenschaftliche Arbeiten:
• Anchit Srivastava, Andreas Herbst, Mahdi M. Bidhendi, Max Kieker, Francesco Tani & Hanieh Fattahi, Near-petahertz fieldoscopy of liquid, Nature Photonics, Volume 18 | December 2024 | 1320–1326,
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01548-2
• Andreas Herbst, Anchit Srivastava, Kilian Scheffter, Soyeon Jun, Steffen Gommel, Luca Rebecchi, Sidharth Kuriyil, Andrea Rubino, Nicolò Petrini, Ilka Kriegel and Hanieh Fattahi, Ultrafast Nonlinear Dynamics of Indium Tin Oxide Nanocrystals Probed via Fieldoscopy, Advanced Science, 2026, 13, e16818,
https://doi.org/10.1002/advs.202516818
Kontakt:
• Dr. Hanieh Fattahi, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Femtosekunden-Feldoskopie, Staudtstraße 2, 91058 Erlangen, E-Mail: hanieh.fattahi@mpl.mpg.de
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB):
In Braunschweig und Berlin kommt die Zeit aus Atomuhren, werden Längen auch tief in der Nanowelt gemessen, forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an grundlegenden Fragen zu den physikalischen Einheiten, und die Beschäftigten in den Laboratorien kalibrieren Messgeräte für höchste Genauigkeitsansprüche. Damit gehört die Physikalisch-Technische Bundesanstalt zu den ersten Adressen in der internationalen Welt der Metrologie. Als das nationale Metrologieinstitut Deutschlands ist die PTB oberste Instanz bei allen Fragen des richtigen und zuverlässigen Messens. Sie ist technische Oberbehörde des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) und beschäftigt an den beiden Standorten Braunschweig und Berlin insgesamt über 2100 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL):
Das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) deckt ein breites Forschungsspektrum ab, darunter nichtlineare Optik, Quantenoptik, Nanophotonik, photonische Kristallfasern, Optomechanik, Quantentechnologien, Biophysik und – in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin – Verbindungen zwischen Physik und Medizin. Das MPL wurde im Januar 2009 gegründet und ist eines der über 80 Institute der Max-Planck-Gesellschaft, die Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienst der Allgemeinheit betreiben.
Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU):
Die 1402 gegründete Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) gehört zu den großen Universitäten Deutschlands: An die 500 Professorinnen und Professoren bilden rund 25.000 Studierende für hochqualifizierte Berufe aus. Mit 4.200 Beschäftigten zählt die JMU zu den größten Arbeitgebern in der Region. Die weltweite Vernetzung der JMU im Rahmen mehrerer hundert Partnerschaften ermöglicht ein internationales Forschen und Studieren.
Dr. Hansjörg Scherer, Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 38116 Braunschweig, E-Mail: hansjoerg.scherer@ptb.de
Dr. Hanieh Fattahi, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Femtosekunden-Feldoskopie, Staudtstraße 2, 91058 Erlangen, E-Mail: hanieh.fattahi@mpl.mpg.de
Patel, D.K., Fijalkowski,K.M., Kruskopf, M. et al. A zero external magnetic field quantum standard of resistance at the 10−9 level. Nature Electronics 7, 1111–1116 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01295-w
Anchit Srivastava, Andreas Herbst, Mahdi M. Bidhendi, Max Kieker, Francesco Tani & Hanieh Fattahi, Near-petahertz fieldoscopy of liquid, Nature Photonics, Volume 18 | December 2024 | 1320–1326, https://doi.org/10.1038/s41566-024-01548-2
Andreas Herbst, Anchit Srivastava, Kilian Scheffter, Soyeon Jun, Steffen Gommel, Luca Rebecchi, Sidharth Kuriyil, Andrea Rubino, Nicolò Petrini, Ilka Kriegel and Hanieh Fattahi, Ultrafast Nonlinear Dynamics of Indium Tin Oxide Nanocrystals Probed via Fieldoscopy, Advanced Science, 2026, 13, e16818,
https://doi.org/10.1002/advs.202516818
Das Plakat zum Helmholtz-Preis
Quelle: PTB
Copyright: PTB
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Medizin, Physik / Astronomie
überregional
Wettbewerbe / Auszeichnungen
Deutsch
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