2D-Materialien für die Quantenoptik

Der diesjährige Nachwuchswissenschaftspreis des Beutenberg Campus e.V. ehrt Dr. Tobias Vogl vom Institut für Angewandte Physik. Der Leiter der Forschungsgruppe „Integrierte Quantensysteme“ wird für die außerordentliche Qualität seiner wissenschaftlichen Arbeiten ausgezeichnet, die er trotz seines erst jungen Alters von 31 Jahren bereits vorweisen kann: Neben einem eingeworbenen Drittmittelvolumen von über 7,5 Mio. Euro, einer hohen Anzahl von Publikationen in renommierten Fachzeitschriften, wie Nature Physics und Nature Communications, betreut Tobias Vogl derzeit acht Promovierende, drei Masterarbeiten und leitet zwei Postdocs an. Darüber hinaus engagiert er sich auch in der Lehre an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät.

Vogl kam 2019 als Postdoc an die Universität Jena, nachdem er an der Australian National University promoviert worden war. Während seiner Promotion hat er Raumtemperatur-Quantenemitter aus dem 2D-Material hexagonales Bornitrid entwickelt und für den Einsatz in modernen Quantentechnologien optimiert. Zur Untersuchung möglicher Anwendungsgebiete wurden die Emitter direkt an optische Fasern gekoppelt (z. B. für Quantennetzwerke). Die wohl wichtigste Arbeit ist die Kopplung eines Emitters an einen Mikroresonator. Vogl integrierte diese resonatorgekoppelte Lichtquelle in den Prototyp eines Kleinsatelliten. Dabei ging es nicht nur darum, die Strahlungstoleranz von Quantenstrahlern für z. B. satellitengestützte Quantenkommunikation sicherzustellen. Vielmehr wurden 2D-Materialien generell für den Einsatz im Weltraum qualifiziert. „Dazu gehören z. B. atomar dünne Feldeffekttransistoren, die künftige Satellitenelektronik effizienter und leichter machen könnten", führt Tobias Vogl aus.

Nanoskalige Quantensensoren in der medizinischen Diagnostik

Schon in seinem ersten Jahr als Postdoc in Jena warb er ein eigenständiges DFG-Projekt ein, in dem er einen neuartigen Anregungsmechanismus für Einzelphotonenquellen entwickelt und deren Einsatz in der Quantenkryptographie erforscht. 2020 begann er mit dem Aufbau eines internationalen Forschungskonsortiums mit dem Ziel, die Einzelphotonenquelle für ein weltweites Quanteninternet voranzubringen. Für sein Konzept der optischen Quantenlogik auf einem Satelliten hat Tobias Vogl 2021 den mit 400.000 Euro dotierten INNOspace Masters Award des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erhalten.

Im Jahr 2022 hat Tobias Vogl eine vom BMBF geförderte Nachwuchsgruppe eingeworben,  Einzelphotonen-Emitter in 2D-Materialien mit integrierter Optik kombiniert. „Damit ist es möglich, komplette quantenoptische Aufbauten, die wir bisher auf Labortischen realisierten, zu kleinen quantenphotonischen Chips zu miniaturisieren“, erläutert Vogl. Diese Quantensensoren im Nanomaßstab sind sehr kompakt und arbeiten dennoch präziser als die derzeit verfügbaren Lösungen. Daher haben sie ein enormes Potenzial für den Einsatz in den Biowissenschaften. Die Magnetfeldsensoren könnten die Präzision und Auflösung von medizinischen Magnetresonanztomographen verbessern und als mobile Geräte beispielsweise in einem Krankenwagen zum Einsatz kommen.