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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 MRTUntersuchung 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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Vorhersage der globalen Erwärmung

Es ist der erste Check dieser Art: Auf der derzeit laufenden Weltklimakonferenz COP 28 in Dubai steht zum ersten Mal eine globale Bestandsaufnahme des Pariser Klimaabkommens auf der Tagesordnung. Es geht also um die Frage, ob das 1,5-Grad-Ziel aus der Pariser Klimakonferenz 2015 noch erreichbar ist – und wie es heute generell um das Weltklima steht. Um Fragen wie diese zu beantworten, ist eine große Zahl von Messwerten nötig, die laufend rund um die Welt erhoben werden: zu Lande, zu Wasser, in der Luft und sogar aus dem All. Dass diese Messwerte verlässlich, vergleichbar und genau sind, dafür sorgt eine ganz besondere Wissenschaft, die Metrologie. Bei der diesjährigen COP 28 sind Mitarbeitende des BIPM, des Internationalen Büros für Maß und Gewicht, mit einem Beobachterstatus als Vertretungen der nationalen Metrologieinstitute dabei. In Deutschland ist dieses Metrologieinstitut die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). 

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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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Robert Habeck in der PTB

Freudig übernahm im Frühsommer Robert Habeck den Stift, um die neue Anlage in der PTB zu signieren. Nun steht sie kurz vor ihrem Einsatz – und Hersteller der allergrößten Windenergieanlagen (etwa für Offshore-Windparks) stehen quasi vor der Tür. Sie wollen an der riesigen Drehmoment-Normalmesseinrichtung der PTB – der größten Anlage ihrer Art weltweit – ihre Messgeräte kalibrieren. Das Ziel: Windenergie soll sich noch mehr lohnen!

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Mit weltweit mehr als 100 Millionen Untersuchungen pro Jahr ist die Magnetresonanztomografie (MRT) das zweitwichtigste medizinische Bildgebungsverfahren nach dem Röntgen. Doch wer ein Implantat trägt, muss oftmals auf diese potenziell lebensrettende Diagnosemöglichkeit verzichten oder eine geringere Bildqualität in Kauf nehmen. Insbesondere aktive Implantate wie Herzschrittmacher und Neurostimulatoren können in Kombination mit einer MR-Untersuchung bei unvorsichtiger Anwendung zu gefährlichen Erwärmungen im Körper führen. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) wurde nun demonstriert, wie mit einer drahtlosen Kommunikation zwischen Implantat und Magnetresonanztomograf dieses Problem gelöst werden kann. Dies könnte Millionen von Patientinnen und Patienten helfen und die Arbeit des Krankenhauspersonals erheblich vereinfachen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Magnetic Resonance in Medicine veröffentlicht.

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