Der diesj?hrige Nachwuchswissenschaftspreis des Beutenberg Campus e.V. ehrt Dr. Tobias Vogl, der 2019 als Posdoc zu uns an die Universit?t Jena kam, nachdem er an der Australian National University promivierte. Die Preiskriterien:

¡¤??????? Qualit?t bzw. wiss. Anspruch der Arbeiten, der sich unter Ber¨¹cksichtigung des Alters der Bewerber in der Anzahl und Wertigkeit der Publikationen widerspiegelt.

¡¤??????? Bezug der Arbeiten zum Campusleitgedanken ?Life Science meets Physics¡°

¡¤??????? Mobilit?t/Å·ÖÞ±­Í¶×¢µØÖ·_Ã÷ÉýÌåÓý-¾º²Ê×ãÇò±È·ÖÍƼöit?t der Kandidaten

erf¨¹llt der Leiter der Forschungsgruppe ?Integrierte Quantensysteme¡° au?erordentlich.

Qualit?t bzw. wiss. Anspruch der Arbeiten unter Ber¨¹cksichtigung des Alters

Bereits w?hrend seiner Promotion f¨¹hrte Herr Vogl ein neues Thema in seine ehemalige Arbeitsgruppe von Prof. Ping Koy Lam ein: die Nutzung von 2D-Materialien f¨¹r quantenoptische Experimente. Dies f¨¹hrte zu einer Reihe von Erstautoren-Publikationen in renommierten wissenschaftlichen Journalen. Mit seinen Ergebnissen und seiner Dissertation hatte Dr. Vogl auch den besten PhD in Physik an der Australian National University im Jahr 2019 abgeschlossen und wurde f¨¹r die Bragg Gold Medal des Australian Institute of Physics als einer der zehn besten Physik-Doktoranden in Australien in diesem Jahr nominiert.

Grundlage seines wissenschaftlichen Erfolges

W?hrend seiner Promotion hat Herr Vogl Raumtemperatur-Quantenemitter aus dem 2D-Material hexagonales Bornitrid entwickelt, optimiert und f¨¹r den Einsatz in modernen Quantentechnologien vorbereitet. F¨¹r diese Emitter hat Herr Vogl zun?chst einen Herstellungsprozess entwickelt und optimiert, der Emitter mit besonders guten photophysikalischen Eigenschaften hervorbringt. Die genaue atomare Struktur dieser Emitter war unbekannt (und ist sie teilweise), aber Tobias Vogl ist es gelungen, in grundlegenden Experimenten ein Modell f¨¹r die verschiedenen Emitter zu entwickeln und zu beschreiben. Dar¨¹ber hinaus untersuchte Herr Vogl auch den m?glichen Einsatz in Anwendungen. Daf¨¹r wurden die Emitter direkt an optische Fasern gekoppelt (z.B. f¨¹r Quantennetzwerke). Die wohl wichtigste Arbeit ist die Kopplung eines Emitters an einen Mikroresonator, ein Erfolg, der zuvor und auch danach von wissenschaftlichen Gruppen auf der ganzen Welt angestrebt wurde. Er integrierte diese resonatorgekoppelte Lichtquelle in den Prototyp eines Kleinsatelliten und qualifizierte ihn f¨¹r den Weltraum. Diese Studie wurde in der Zeitschrift Nature Communications (M?rz 2019) als Condensed Matter-Highlight des Monats vorgestellt. Dabei ging es nicht nur um die Strahlungstoleranz von Quantenstrahlern f¨¹r z.B. satellitengest¨¹tzte Quantenkommunikation, die bisher nicht untersucht wurde. Vielmehr wurden 2D-Materialien generell f¨¹r den Einsatz im Weltraum qualifiziert. ?Dazu geh?ren z. B. atomar d¨¹nne Feldeffekttransistoren, die k¨¹nftige Satellitenelektronik effizienter und leichter machen k?nnten. Besonders ¨¹berrascht hat uns ein neuartiger Defektheilungsmechanismus, den wir bei den Experimenten beobachtet haben, bei dem Gammastrahlen ein Material (bzw. dessen optische Eigenschaften) dauerhaft verbessern k?nnen. Mit weiterf¨¹hrenden Experimenten und theoretischen Simulationen konnten wir den Mechanismus hinter diesem Effekt vollst?ndig aufkl?ren.¡°, f¨¹hrt Dr. Tobias Vogl aus.

Die Zeit in Jena und Å·ÖÞ±­Í¶×¢µØÖ·_Ã÷ÉýÌåÓý-¾º²Ê×ãÇò±È·ÖÍƼöit?t

Schon in seinem ersten Jahr als Postdoc am IAP erhielt Tobias Vogl ein eigenst?ndiges DFG-Projekt, was der erste und sehr fr¨¹he Schritt in die wissenschaftliche Selbst?ndigkeit war. In diesem Projekt entwickelt er einen neuartigen Anregungsmechanismus f¨¹r Einzelphotonenquellen und erforscht deren Einsatz in der Quantenkryptographie. Trotz der Covid-19-Pandemie, gelang es ihm in einem Joint Postdoctoral Fellowship mit der University of Cambridge eine intensive Zusammenarbeit mit dem Cavendish Laboratory zu pflegen. Noch im selben Jahr begann er mit dem Aufbau eines internationalen Forschungskonsortiums mit dem Ziel, die Einzelphotonenquelle f¨¹r ein weltweites Quanteninternet voranzubringen. Mangels effizienter Quanten-Repeater kann ein solches Quantennetzwerk nur ¨¹ber Satellitenverbindungen aufgebaut werden, da Quanteninformation in Glasfasern exponentiell ged?mpft wird und daher ¨¹ber sehr lange Strecken nur durch die Atmosph?re ¨¹bertragen werden kann. ?Dr. Vogl und sein Konsortium konnten eine Projektf?rderung des BMWK f¨¹r die Entwicklung der Quantenlichtquelle sowie die Evaluierung ihrer Leistungsf?higkeit im Weltraum auf einem Kleinsatelliten einwerben, wobei er nicht nur lokaler Projektleiter, sondern auch Sprecher und Koordinator des Forschungskonsortiums, bestehend aus Forschern der Universit?t Jena, des Ferdinand-Braun-Instituts, des Leibniz-Instituts f¨¹r Hochfrequenztechnik, der Technischen Universit?t Berlin sowie assoziierten Partnern am Fraunhofer IOF, der University of Cambridge, der National University of Singapore und der Polytechnischen Universit?t Mailand ist. Mit der Akquisition und Koordination eines solchen Forschungsnetzwerkes hat Herr Vogl in einem sehr jungen Karrierealter erreicht, was sonst nur Seniorforschern mit langj?hriger Erfahrung vorbehalten ist.¡°, unterstreicht Prof. Stefan Nolte, der die Forschungsarbeiten mit Infrastruktur unterst¨¹tzt.

?Life Science meets Physics¡°

?Dieses Weltraumprojekt testet nicht nur die Quantenlichtquelle als zentrale Komponente f¨¹r ein globales Quantennetzwerk. An Bord des Satelliten befindet sich auch ein Quanteninterferometer, das in der Mikrogravitation nach erweiterten physikalischen Theorien jenseits des Standardmodells sucht. Mit diesem Experiment k?nnten wir bestimmte Quantengravitationstheorien best?tigen oder falsifizieren.¡°, erkl?rt Dr. Tobias Vogl. Zwar wurde ein terrestrisches Experiment am Boden durchgef¨¹hrt, bisher konnten jedoch keine Abweichungen von den Vorhersagen der Standard-Quantenmechanik gefunden werden. F¨¹r die Grundlagenphysik war es aber ?u?erst wichtig, da es gegen¨¹ber dem Stand der Technik um eine Gr??enordnung gesteigerte Messgenauigkeit erreichte, was dieses Experiment zum genauesten Test f¨¹r diese Klasse von erweiterten Quantentheorien jenseits des Standardmodells macht. ?F¨¹r die Grundlagenphysik sind diese Art von Experimenten ?u?erst wichtig, da sie dazu beitragen, die Kopplung der Schwerkraft auf der Quantenebene besser zu verstehen. Gro?e Fortschritte in den Naturwissenschaften wurden oft erzielt, wenn Forscher nach dem Unbekannten suchten.¡°, ordnet Prof. Nolte diese Leistung ein.

Tobias Vogl hat dieses bahnbrechende Konzept der optischen Quantenlogik auf einem Satelliten weiterentwickelt und 2021 den mit 400.000 Euro dotierten INNOspace Masters Award des Deutschen Zentrums f¨¹r Luft- und Raumfahrt erhalten. Dieser Preis ist das Ergebnis eines Ideenwettbewerbs und f?rdert Innovationen zwischen Raumfahrt- und Nichtraumfahrtbereich.

Im Folgejahr 2022 hat Herr Vogl eine vom BMBF gef?rderte Nachwuchsgruppe eingeworben. Die Gruppe kombiniert Einzelphotonen-Emitter in 2D-Materialien mit integrierter Optik. ?Damit ist es m?glich, komplette quantenoptische Aufbauten, die wir bisher auf Labortischen realisierten, zu kleinen quantenphotonischen Chips zu miniaturisieren. Gleichzeitig werden mit dieser Technologie hochpr?zise interferometrische Messungen, wie sie f¨¹r Tests jenseits des Standardmodells skizziert wurden, erm?glicht.¡°, freut sich Tobias Vogl.

?Dies war die Grundlage f¨¹r die Entwicklung von Quantensensoren im Nanoma?stab. Wir haben festgestellt, dass die Quantenstrahler auf mehrere Umwelteigenschaften wie Temperatur, Str?me und Magnetfelder empfindlich reagieren und f¨¹r die superaufl?sende Bildgebung verwendet werden k?nnen. Dadurch kann nicht nur eine einzelne Eigenschaft einer Probe gemessen werden, sondern sogar alle oben genannten Merkmale gleichzeitig mit einer Aufl?sung von etwa 1 nm.¡°

?Diese Quantensensoren im Nanoma?stab sind sehr kompakt und dennoch pr?ziser als die derzeit verf¨¹gbaren L?sungen. Daher haben sie ein enormes Potenzial f¨¹r den Einsatz in den Biowissenschaften. Die Magnetfeldsensoren k?nnten die Pr?zision und Aufl?sung von medizinischen Magnetresonanztomographen verbessern. Die Kompaktheit l?sst sogar den Einsatz mobiler Ger?te in einem Krankenwagen bei gro?en Naturkatastrophen denkbar erscheinen.¡°, umreist Stefan Nolte die m?glichen Applikationsfelder dieser Technik. ?Herr Vogl hat die Entwicklung von Raumtemperatur-Quantenemittern unmittelbar nach ihrer Entdeckung vorangetrieben und sie in k¨¹rzester Zeit in ein Stadium ¨¹berf¨¹hrt, in dem sie f¨¹r moderne Quantentechnologien sogar im Weltraum oder als nanoskalige Quantensensoren in der medizinischen Diagnostik oder f¨¹r die superaufl?sende Bildgebung eingesetzt werden k?nnen.¡°

Neben dem eingeworbene Drittmittelvolumen von ¨¹ber 7,5 Mio. €, der hohen Anzahl von Publikationen in renommierten Fachzeitschriften, u.a. in Nature Physics und Nature Communications und entsprechenden Einladungen zu internationalen Konferenzen und Kolloquien, betreut Tobias Vogl ?acht Promovierende, drei Masterarbeiten und leitet zwei Postdocs an. Dar¨¹ber hinaus engagiert er sich auch in der Lehre an der Fakult?t.

Fragt man Tobias Vogl nach dem Gew¨¹rz hinter den immensen Anstrengungen, die zu diesen immensen Erfolgen f¨¹hrte, antwortet er: ?Das ?Photonic Ecosystem¡® in Jena und insbesondere hier am Beutenberg erm?glichten mir und meinem Team diese Forschungsleistungen. Es ist ein besonderer Ort mit ertragreichem Boden.¡°

Wir gratulieren herzlich Dr. Tobias Vogl zu diesen besonderen Leistungen und freuen uns ¨¹ber k¨¹nftige Entwicklungen, auch an seinem neuen Wirkungsort, der Technischen Universit?t M¨¹nchen.