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Simulation der elektronischen Kollisionsschaltung: Zwei Elektronenquellen (S1, S2) senden zeitgleich ununterscheidbare Elektronen auf entgegenlaufenden Bahnen aus. Deren Bewegung im Potential eines elektronischen Strahlteilers kann aufgrund gegenseitiger Wechselwirkung genau gesteuert werden. Das Ergebnis wird von zwei Detektoren (D1, D2) erfasst, die die Ankunft eines einzelnen Elektrons feststellen können.

Das gezielte Aufeinandertreffen einzelner Photonen oder Elektronen eröffnet eine empfindliche Messmethode, um deren gegenseitige Beeinflussung untersuchen und kontrollieren zu können. Durch diese Reduktion auf einzelne scharfe Signalimpulse lassen sich die Auflösung von Messungen verbessern und neue Bauteile für die Quanteninformationsverarbeitung schaffen. In nanostrukturierten Halbleiterschaltungen können zwei Elektronen einzeln auf sich kreuzenden Signalleitungen ballistisch geführt werden, um so ihre Wechselwirkung zur Steuerung oder Abtastung elektrischer Signale einzusetzen. Die grundlegende Funktion eines solchen nichtlinearen Schaltungselements wurde von drei unabhängigen Forscherteams, jeweils angeführt von NEEL (F), NPL (UK) und PTB, in unterschiedlichen, sich ergänzenden Realisierungen demonstriert.

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Für die Suche nach dunkler Materie wurden drei Atomuhren verglichen: Zwei davon nutzen unterschiedliche Übergänge in demselben Yb<sup>+</sup>-Ion, das in einer Einzelionenfalle gespeichert wird (links). Die dritte Atomuhr verwendet ca. 1000 neutrale Strontiumatome in einem optischen Gitter (rechts).

Kann dunkle Materie mit Photonen wechselwirken und die Atomstruktur beeinflussen? Ein Vergleich zweier verschiedener Typen optischer Atomuhren der PTB verbesserte bisherige experimentelle Nachweisgrenzen für eine mögliche Kopplung um mehr als eine Größenordnung und über einen weiten Bereich möglicher Massen der dunklen Materie-Teilchen. Deren Beschaffenheit und mögliche Wechselwirkungen konnten damit weiter eingegrenzt werden, auch wenn noch kein entsprechender Nachweis gelungen ist.

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Schematische Darstellung des Messraums mit einigen Sensoren. Mithilfe des neuen Verfahrens können Temperaturen und deren Unsicherheiten an beliebigen Stellen auf Basis lokaler Sensordaten geschätzt werden.

Möchte man die Temperatur an beliebigen Punkten in einem Raum bestimmen, so ist dies mittels Sensornetzwerken und geeigneten Interpolationsverfahren prinzipiell möglich. In der PTB wurde untersucht, wie vertrauenswürdig solche interpolierten Daten sind.

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Bei Krankheiten wie Parkinson helfen sogenannte Hirnschrittmacher sehr gut. Doch ein solches Implantat kann bei einem MRT-Scan zu gefährlichen Erwärmungen führen. (Röntgenaufnahme; Quelle: Wikimedia Commons)

Die Magnetresonanztomografie (MRT) ist weltweit das zweithäufigste medizinische Bildgebungsverfahren mit über 100 Millionen Untersuchungen pro Jahr. Allerdings müssen Patienten, die Implantate tragen, oft auf diese lebensrettende Diagnosemöglichkeit verzichten oder eine geringere Bildqualität hinnehmen. Vor allem bei aktiven Implantaten wie Herzschrittmachern und Neurostimulatoren kann eine MRT-Untersuchung zu einer gefährlichen Erwärmung im Körper führen, wenn sie nicht vorsichtig angewendet wird. In der PTB wurde gezeigt, dass dieses Problem durch drahtlose Kommunikation zwischen Implantat und Magnetresonanztomograf gelöst werden kann.

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Windräder und Flugzeug

Es machte Schlagzeilen: Das PTB-Projekt WERAN hat auf einen Schlag sehr viele neue potenzielle Flächen für Windenergieanlagen freigemacht. In dem Projekt wurde gezeigt, dass Windenergieanlagen weniger Einfluss auf Funksignale haben als davor angenommen. Daher hat die DFS Deutsche Flugsicherung GmbH Anfang 2023 die Schutzbereiche rund um einige ihrer Flugsicherungsanlagen verkleinert: Der Anlagenschutzbereich von Drehfunkfeuern (innerhalb dessen zu prüfen ist, ob Windenergieanlagen die Funknavigation beeinflussen) beträgt jetzt nicht mehr 15 km, sondern nur noch 7 km. Das ergab mehr als 21 000 Quadratkilometer neue Flächen für Windenergieanlagen. Jetzt geht die Forschung noch weiter, ist aber nicht mehr primäre Aufgabe eines nationalen Metrologieinstitutes: Ein neues An-Institut an der Jade-Hochschule Wilhelmshaven übernimmt den Staffelstab.  

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BASE-Experiment

Sie haben gute Arbeit geleistet, und ihre Zusammenarbeit wird fortgesetzt: Nach einer erfolgreichen Begutachtung durch eine international mit hochrangigen Wissenschaftlern besetzte Kommission kann das deutsch-japanische Zentrum für Zeit, Konstanten und fundamentale Symmetrien (TCFS) in seine zweite Förderperiode starten. Es wird die Zusammenarbeit zwischen deutschen und japanischen Instituten weiter stärken. Die internationalen Experten entwickeln empfindlichste Instrumente für grundlegende Messungen in der Atom- und Kernphysik, der Antimaterie- und Dunkle-Materie-Forschung, der Quantenoptik und der Metrologie. Drei Partnerinstitutionen – die Max-Planck-Institute für Kernphysik (MPIK) und für Quantenoptik (MPQ), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und die japanische Spitzenforschungseinrichtung RIKEN – werden das Zentrum ab Januar 2024 für weitere fünf Jahre zu gleichen Teilen mit insgesamt rund 7,5 Mio. EUR finanzieren.

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„Think Metrology“ heißt es vom 26. bis 29. August 2024 auf dem Weltkongress der Internationalen Messtechnischen Konföderation (IMEKO). Er wird ein Gipfeltreffen der weltweit führenden Metrologen. Mehr als 700 Forschende und Anwender werden über Innovationen und aktuelle Themen aus dem großen Feld der Messtechnik berichten. Ab Oktober 2023 können Sie sich registrieren lassen und Ihr Paper einreichen. Website: Opens external link in new windowhttps://www.imeko2024.org/index (Kontakt: Opens local program for sending emailimeko2024(at)ptb.de)

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Der WELMEC Guide 7.2 „Software“ ist der am meisten genutzte Leitfaden der Europäischen Kooperation im gesetzlichen Messwesen (WELMEC) und liegt jetzt in einer aktualisierten und überarbeiteten Version 2023 vor. Dieser Guide bietet europäischen Notified Bodies, Herstellern von Messgeräten und den Überwachungsbehörden abgestimmte technische Interpretationen der grundlegenden Anforderungen der europäischen Messgeräterichtline (MID und der NAWID;31/2014/EU und 32/2014/EU). Internet: Opens external link in new windowwww.welmec.org (Ansprechpartner: Florian Thiel, Telefon: 030 3481-7529, Opens local program for sending emailflorian.thiel(at)ptb.de)

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Im kürzlich gestarteten Projekt „TruePA“ (Truly Resilient Quantum Limited Traveling Wave Parametric Amplifiers) entwickeln Forschende der PTB zusammen mit sieben europäischen Partnerinstitutionen die nächste Generation parametrischer Verstärker, kurz TWPAs. Wegen ihres extrem niedrigen Rauschens sind sie von Bedeutung für die Detektion schwacher elektromagnetischer Signale bei Mikrowellenfrequenzen von einigen Gigahertz. Die EU fördert das Projekt mit drei Millionen Euro über eine Laufzeit von drei Jahren. Website des Projekts: www.truepa.eu. (Ansprechpartner: Lukas Grünhaupt, Telefon: 0531 592-2420, Opens local program for sending emaillukas.gruenhaupt(at)ptb.de)

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Einzelphotonendetektoren werden zunehmend für Anwendungen wie Quantencomputer und -bildgebung sowie in Experimenten in Astrophysik und Materialwissenschaft benötigt. Um diese einzelnen Photonen nachzuweisen, sieht das PTB-Konzept vor, dass der Detektor aus einem flächigen Supraleiter aufgebaut wird. In ihm ist ein Lochmuster aus nicht-supraleitenden Bereichen integriert. Mit dieser Geometrie wird es ermöglicht, dass ein absorbiertes Photon in einem dieser Bereiche einen lawinenartigen Übergang in Normalleitung in dem Detektor induziert. Diese bewirkt eine Überhöhung des Stroms, und somit kann die Absorption des Photons nachgewiesen werden.

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