Physik Journal 4 / 2025

Quantenphysik ganz groß könnte das Motto für den Zugang zur Sonderausstellung „Licht und Materie“ lauten. Wie ein Photon durch einen Doppelspalt gelangt man in den Ausstellungsbereich. Durch einen Sensor aktiviert, scheint an einer Stelle der gegenüberliegenden Wand ein Lichtpunkt auf, während er an anderer Stelle verschwindet. So bleibt das Interferenzmuster, das für den Welle-­Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik so ikonisch ist, bestehen. Augenfällig ist auch eine Veranschaulichung der Wellenlängen des weitgefächerten elektromagnetischen Spektrums von Gammastrahlung bis zu Radiowellen. Das macht unmittelbar deutlich, wie klein der Bereich des für uns sichtbaren Lichts eigentlich ist. Solche leicht zugänglichen Veranschaulichungen belegen den Anspruch der Ausstellung: „Wir möchten, dass alle Besucherinnen und Besucher etwas aus der Ausstellung mitnehmen“, betont Johannes-Geert Hagmann, derzeit kommissarischer Bereichsleiter für Forschung-Archiv-Bibliothek. Er hat gemeinsam mit Eckhard Wallis und Katharina Stuhrberg die Ausstellung in Kooperation mit dem „Munich Center for Quantum Science and Technology“ (MCQST) konzipiert und mit den Museumswerkstätten realisiert. Sie setzen dabei nicht nur auf visuelle Reize: Bei einer Station lassen sich die Spektrallinien des Wasserstoffs mit Tastendruck zu Gehör bringen. (...)

Studierende sind oft überrascht zu erfahren, dass die erste Physikprofessorin nicht aus dem zwanzigsten, sondern aus dem achtzehnten Jahrhundert stammt. Laura Bassi wurde 1732 eine gutbezahlte Professur an der Universität Bologna verliehen. Am Ende ihres Lebens sollte sie dazu noch einen Lehrstuhl für Experimentalphysik erhalten – zu einer Zeit, als ihre fünf erwachsenen Kinder vielfach selbst Gelehrte geworden waren, ein Sohn etwa auch Physikprofessor (während ihre einzige überlebende Tochter Nonne wurde). 

Über die wenigen besonders herausragenden Fälle hin­aus haben Frauen in vielerlei Institutionen und Rollen Beiträge zur modernen Wissenschaft geleistet, auch wenn dies oft nur gegen beträchtliche Widerstände möglich war. Häufig waren ihre Erkenntnisse den Zeitgenossen durchaus bekannt und ihre Leistungen wurden erst später unsichtbar. (...)

Laura Mary Chalk wurde 1904 in Montreal in eine Päda­gogenfamilie hineingeboren und zeigte schon früh hervorragende akademische Leistungen, ins­be­sondere in Mathematik. Der Leiter der Physikabteilung der McGill University, Arthur S. Eve, ermutigte sie, Physik zu studieren, und 1925 schloss sie ihr Studium in Mathematik und Physik mit Auszeichnung ab. Nachdem sie als beste ­Studentin des Jahres in Physik und Mathematik ausgezeichnet worden war und ein einjähriges Stipendium des ­National Research Council erhalten hatte, beschloss sie, in McGill zu bleiben, und wurde die erste Doktorandin von J. Stuart Foster, dem jüngsten Mitglied der Fakultät und einem aufstrebenden Experten für experimentelle Be­obachtungen des Stark-­Effekts. Fosters zweiter Doktorand war William Rowles, der später Physikprofessor am McGill College of Agriculture und Ehemann von Chalk werden sollte [2]. (...)

Quantenphysik ermöglicht es auf faszinierende Weise,­ grundlegende Phänomene mit Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Quanten­technologien direkt zu verknüpfen. Während früher zwischen Grund­lagen- und angewandter Forschung klar unterschieden wurde, bieten moderne Experimente der Quantenoptik, wie die Erzeugung einzelner Lichtquanten, tiefe Einblicke in die Quantenwelt und eröffnen gleichzeitig neue Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Quantenkryptographie oder für photonische Quantencomputer. Ein weiterer Treiber dieser Entwicklungen ist der interdisziplinäre Austausch zwischen Fachdisziplinen wie Physik, Informatik und Ingenieurwissenschaften, der die Quantenwissen­schaften und -technologien derzeit zu einem der dynamischsten Forschungsfelder macht.

Im Rahmen des Projekts QuanTour reist ein Halb­leiter-Quantenpunkt, eingebettet in einen photonischen Mikro­resonator, durch Europa und besucht dabei zahlreiche Labore. Hinter QuanTour steht das Organisationsduo Tobias Heindel (TU Berlin) und Doris Reiter (TU Dortmund) zusammen mit Pranoti Kshirsagar (The ­Science Talk) als ­Beraterin für Wissenschafts­kommunikation. In jedem Labor erzeugt der Quantenpunkt einzelne Photonen. Nach dem Vorbild des olympischen Fackellaufs wird der Quantenpunkt von einem Labor an das nächste über­geben, was die europaweite Zusammenarbeit der beteiligten Forschungsgruppen symbolisiert. (...)

Einzelne Lichtteilchen gezielt zu erzeugen und zu kontrollieren, ist eine der zentralen Querschnittsaufgaben in der Quantenphysik, aber auch in den Quantentechnologien. Der quantenmechanische Zustand der Photonen dient in der Quanteninformationsverarbeitung als fundamentale Informationseinheit – sogenannte fliegende Qubits, die anders als das klassische Bit in einer quantenmechanischen Superposition vorliegen. Halbleiter-Quantenpunkte [1, 2] haben sich dafür als besonders vielversprechende Plattform erwiesen [3, 4], da sie sich in funktionale nanophotonische Bauelemente integrieren lassen. Die rasante Weiterentwicklung in diesem Forschungsfeld hat zur Entwicklung maßgeschneiderter Mikroresonatoren geführt, die sowohl ihre Lichtausbeute als auch ihre Modulationsgeschwindigkeit maximieren.

Ein besonders erfolgreiches Konzept für die effiziente und spektral breitbandige Lichtauskopplung beruht auf mikroskaligen Ringresonatoren, auch zirkulare Bragg-Resonatoren genannt. Diese erinnern an Dartscheiben im Mikrokosmos (Abb. 1a). Solch eine Mikro-Dartscheibe reist(e) als Quantenlichtquelle im Rahmen des Projekts „QuanTour“ von April 2024 bis April 2025 quer durch Europa. Die Dartscheibe besteht aus einer dünnen Schicht Halbleitermaterial mit einem gezielt im Zentrum integrierten einzelnen Quantenpunkt. Um eine gerichtete Emission zur Kopplung an externe Optiken oder optische Glasfasern zu ermöglichen, ist die Dartscheibe auf einem dielektrischen Abstandshalter über einem rückseitigen Goldspiegel platziert. (...)