Hans-Eggenberger-Preis 2019 an Ileana-Cristina Benea-Chelmus

Ileana-Cristina Benea-Chelmus hat mit ihrer Doktorarbeit einen wesentlichen Beitrag zum Feld der Terahertz-Quantenoptik geleistet, in welchem quantenoptische Ph?nomene an der Grenze zwischen Elektronik und Optik erforscht werden. Der Terahertz-Spektralbereich umfasst elektromagnetische Wellen, die viel schneller als Mikrowellen schwingen, und ist daher besonders interessant f¨¹r die zuk¨¹nftige ultraschnelle Technologien, sowie zur Erforschung grundlegender Ph?nomene in diesem Frequenzbereich. Das Regime der Quantenoptik, in dem nur eine kleine Zahl an Photonen zu einem Effekt beitragen, blieb jedoch f¨¹r Terahertz-Strahlung bisher unerreichbar.

Ileana-Cristina Benea-Chelmus und ihre Kolleginnen und Kollegen an der ETH Z¨¹rich haben diese L¨¹cke nun geschlossen. Sie haben die Empfindlichkeit sowie die zeitliche Aufl?sung von Messungen im Terahertz-Bereich wesentlich verbessert, und damit grundlegend neue Experimente erm?glicht. Insbesondere charakterisierten sie zum ersten Mal das elektrische Feld, das im Vakuum schwingt nachdem alle Photonen daraus entfernt wurden: die Nullpunktsfluktuationen. Dies erforderte die Detektion von Quantenfeldern auf Zeitskalen, die k¨¹rzer sind als ihr Oszillationszyklus, und gleichzeitig eine extrem hohe Empfindlichkeit f¨¹r elektrische Felder. Der Erfolg beruhte auf der Optimierung aller Aspekte des Experiments: nichtlineare Optik, rauscharme Messungen, der Betrieb bei kryogenischen Temperaturen, Nanofabrikation, Automatisierung und die Verarbeitung von umfangreichen Datens?tzen.

In konzeptioneller Hinsicht markiert die Dissertation den Beginn der Untersuchung von Quantenfeldkorrelationen im sogenannten Heisenberg-Limit ¡ª der von der Quantenmechanik auferlegten fundamentalen Grenze f¨¹r die Messgenauigkeit ¡ª auf zeitlichen und r?umlichen Sub-Zyklus-Skalen. Die gewonnenen Erkenntnisse bringen grundlegende Einblicke in die Physik von Vakuumfeldschwankungen. Das neue Wissen, das aus diesen Studien hervorgeht, k?nnte zuk¨¹nftig dazu dienen, Korrelationen zu verstehen, die durch Vakuumfeldschwankungen zwischen entfernten physikalischen Systemen wie Atomen oder k¨¹nstlichen Quantensystemen vermittelt werden.

Wie in anderen Grundlagenstudien bringt auch diese Forschung auch Entwicklungen in praktischen Anwendungsgebieten mit sich. Neuartige Detektoren, die Molek¨¹le mit stark nichtlinearen optischen Eigenschaften und resonante Terahertz-Resonatoren auf Glas und auf einer Siliziumplattform kombinieren, weisen eine beispiellose Empfindlichkeit auf. Angesichts der st?ndig wachsenden Nachfrage nach einer koh?renten Steuerung von photonischen und elektronischen Freiheitsgrade mit geringsten Verlusten wird es bald unerl?sslich sein, Detektionsempfindlichkeiten zu erzielen, die Bruchteilen einzelner Terahertz-Photonen entsprechen.

Neben der Verleihung des Hans-Eggenberger-Preises 2019 an Ileana-Cristina Benea-Chelmus wird die Hans-Eggenberger-Stiftung auch ihre aktuelle Forschung unterst¨¹tzen. Sie hat im M?rz 2019 eine Postdoktorandenstelle an der Harvard University angetreten, wo sie ihr Wissen und ihre Expertise auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeits-Nanooptik und der Silizium-Photonik vertieft. Ihre F?higkeiten werden ihr Profil auf dem Gebiet der Grundlagenforschung zu Sub-Zyklus-Quantenph?nomenen und der Entwicklung praktischer High-End-Ger?te f¨¹r industrielle Anwendungen weiter st?rken.