Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAFDr. Felix Hahl hat beim diesjährigen Quantum Futur Award den ersten Platz in der Kategorie Promotionsarbeiten belegt. Er überzeugte die Jury mit seiner Arbeit aus dem Bereich der Quantensensorik und einem dreiminütigen Pitch, in dem er die Ergebnisse seiner Arbeit und deren potenzielle Anwendungen in der Medizintechnik vorstellte. Neben der Jury überzeugte Hahl mit seinem Pitch auch das Publikum, das ihn mit über 50 % der abgegebenen Stimmen ebenfalls zum Sieger des Audience Awards kürte.
Dr. Felix Hahl (2. v. r., Fraunhofer IAF und Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) mit Dr. Max Riedel (ZEISS Innovation Hub @ KIT, Jury), Dr. Sebastian Blatt (planqc, Jury), Isabel Nha Minh Le (RWTH Aachen University, 2. Platz Master), Dr. Thomas Gerster (TU Braunschweig, 2. Platz Promotion), Jens-Christian Drawer (Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, 1. Platz Master) und Dr. Wolfgang Müssel (Bundesministerium für Bildung und Forschung, Jury) bei der Preisverleihung in Berlin
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Doppelsieg beim Quantum Futur Award 2023 für Dr. Felix Hahl vom Fraunhofer IAF
Dr. Felix Hahl (2. v. r., Fraunhofer IAF und Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) mit Dr. Max Riedel (ZEISS Innovation Hub @ KIT, Jury), Dr. Sebastian Blatt (planqc, Jury), Isabel Nha Minh Le (RWTH Aachen University, 2. Platz Master), Dr. Thomas Gerster (TU Braunschweig, 2. Platz Promotion), Jens-Christian Drawer (Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, 1. Platz Master) und Dr. Wolfgang Müssel (Bundesministerium für Bildung und Forschung, Jury) bei der Preisverleihung in Berlin
Dr. Felix Hahl (rechts) und Dr. Tingpeng Luo (links) arbeiten an einem Laserschwellen-Magnetometrie-Aufbau am Fraunhofer IAF.
Die Messung zeigt den Kontrastrekord von knapp 33 Prozent bei stimulierter magnetfeldabhängiger Emission (blau) im Vergleich zu spontaner Emission (rot).
»Unser Ziel ist es die Empfindlichkeit von Magnetfeld-Quantensensoren weiter zu steigern, um kleinste Magnetfelder zu messen, die unser Gehirn aussendet. Solche Sensoren könnten es in Zukunft ermöglichen mittels neuraler Aktivität Exoskelette präziser anzusteuern. Das neuartige Prinzip der Laserschwellenmagnetometrie mit Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant verspricht dabei eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit dieser Sensoren«, fasst Felix Hahl das Ziel seiner Forschungsarbeit zusammen. Aktuell setzt er sie am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in der Gruppe Quantensensorik von Dr. Jan Jeske fort.
Die Finalrunde, in der jeweils fünf Kandidat:innen ihre Master- und Promotionsarbeiten vorstellten, fand am 24. November 2023 beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in Berlin statt und konnte mittels Livestream online verfolgt werden. Als Erstplatzierter der Jury-Wertung erhält Hahl eine Studienreise im Wert von 6000 €. Mit dem Publikumspreis ist eine Fortbildungsmöglichkeit im Bereich der Wissenschaftskommunikation verbunden.
Erstmalige Demonstration von Laserschwellen-Magnetometrie auf Diamant-Basis
Seine Arbeit mit dem Titel »Cavity-enhanced magnetic-field sensing via stimulated emission from nitrogen-vacancy centres in diamond« (DOI: 10.6094/UNIFR/232328) erstellte Hahl zwischen 2018 und 2022 als Doktorand am Fraunhofer IAF. Promoviert wurde er an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. In der Arbeit gelang es Hahl, erstmals das Prinzip der Diamant-basierten Laserschwellen-Magnetometrie experimentell zu demonstrieren. Der Ansatz ermöglicht hochsensitive Quantensensoren, die kleinste Magnetfelder messen können.
Das Besondere gegenüber anderen Ansätzen wie SQUIDs (superconducting quantum interference devices, supraleitende Quanteninterferenzgeräte) und OPMs (optisch gepumpte Gaszellenmagnetometer) besteht darin, dass diese Sensitivitäten ohne kryogene Kühlung auf -270 °C und ohne die Abschirmung von Hintergrundmagnetfeldern erreicht werden könnten. Dies verspricht eine signifikante Einsparung von Ressourcen und eine höhere Alltagstauglichkeit.
Die Grundlage der Technologie bilden Stickstoff-Vakanz-Zentren (nitrogen-vacancy centers, NV-Zentren) in Diamant, der bei der Laserschwellen-Magnetometrie als Lasermedium zum Einsatz kommt. NV-Zentren absorbieren grünes Licht und emittieren rotes Licht, wobei die Leuchtkraft von der Stärke des äußeren Magnetfelds abhängt. Hahl gelang dabei ein weltweiter Rekord: Er erreichte mit stimulierter magnetfeldabhängiger Emission einen Kontrast von ca. 33 % gegenüber 16 % bei spontaner Emission.
Laserschwellen-Magnetometer für neuronale Kommunikationsschnittstellen
Eine potenzielle Anwendung, die Hahl in seinem Pitch erläuterte, liegt in neuronalen Kommunikationsschnittstellen (Brain-Computer-Interfaces, BCIs). Laserschwellen-Magnetometer sind theoretisch sensitiv genug, um die feinen Magnetfelder messen zu können, die bei Hirnaktivitäten entstehen. Mit ihrer Hilfe könnten gelähmte Menschen mehr Bewegungsfreiheit erlangen, indem sie mittels BCIs Exoskelette präziser steuern können – durch die spezifischen Vorteile der Diamant-basierten Sensoren sogar in alltäglicher Umgebung.
Aktuell arbeitet Hahl unter anderem iHaSSSm Projekt »NeuroQ – Laserschwellen-Magnetometer für neuronale Kommunikationsschnittstellen«, das von Dr. Jan Jeske am Fraunhofer IAF geleitet wird. Gemeinsam mit der Charité – Universitätsmedizin Berlin arbeiten die beteiligten Forschungsteams an der Weiterentwicklung und klinischen Erprobung von Laserschwellen-Magnetometern am Menschen.
Über den Quantum Futur Award
Der Quantum Futur Award wird einmal jährlich in den Kategorien Master- und Promotionsarbeiten vom BMBF ausgeschrieben. Infrage kommen Arbeiten aus allen Bereichen der Natur, Ingenieur- und Informationswissenschaften, die eine technische Ausnutzung kontrollierter Quantenzustände zum Inhalt haben (sog. Quantentechnologien der zweiten Generation) und in den letzten vier Jahre an einer deutschen Universität oder Hochschule abgeschlossen wurden.