14.04.2020 - Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Helmholtz-Preis für hochpräzise Messungen zur Relativitätstheorie und zu Nanomaterialien

Grundlagenphysik rund um Einsteins Spezielle Relativitätstheorie auf der einen Seite und Grundlagen für messtechnische (metrologische) Anwendungen im Bereich von Tausendstel Mikrometern (Nanometern) auf der anderen Seite – so weit spannt sich der Bogen beim diesjährigen Helmholtz-Preis. Den Preis vergibt der Helmholtz-Fonds alle zwei Jahre für hervorragende wissenschaftliche und technische Forschung auf dem Gebiet „Präzisionsmessung in Physik, Chemie und Medizin“. In der Kategorie „Grundlagen“ erhalten ihn drei Wissenschaftler für ihre Arbeit an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Christian Sanner, Nils Huntemann und Richard Lange ist es mit einem Langzeitvergleich zweier hochpräziser Uhren (optischer Ytterbiumuhren) der PTB gelungen, einen deutlich verbesserten Test einer fundamentalen Symmetrie des Raumes der (Lorentz-Symmetrie) für Elektronen durchzuführen. In der Kategorie „Anwendungen“ geht der Helmholtz-Preis an ein neunköpfiges Team aus Forschern der Humboldt-Universität zu Berlin und der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg um die Berliner Physikerin Saskia F. Fischer und den Freiburger Mikrosystemtechniker Peter Woias. Die Gruppe hat ebenfalls grundlegend Neues geschaffen: nämlich die wissenschaftlich-technischen Voraussetzungen für standardisierte Messungen an einzelnen Nanostrukturen. In der Wissenschaft vom exakten Messen, der Metrologie, gilt der Helmholtz-Preis als eine der international bedeutendsten Auszeichnungen. In den Kategorien „Grundlagen“ und „Anwendungen“ ist er mit jeweils 20 000 Euro dotiert.

Test der Symmetrie der Raumzeit mit Atomuhren

Das Team aus der PTB hat sich mit einer grundlegenden Frage der Physik befasst. Es ist eine Grundannahme von Einsteins Spezieller Relativitätstheorie, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Ausbreitungsrichtung immer gleich ist. Nun kann man fragen: Wie universell ist diese nach Hendrik Antoon Lorentz benannte Symmetrie des Raumes gewahrt, gilt sie auch genauso für die Bewegung materieller Teilchen, oder gibt es Richtungen, entlang derer sie sich bei gleicher Energie schneller oder langsamer bewegen? Insbesondere für hohe Energien der Teilchen sagen theoretische Modelle, die eine vereinheitlichte Beschreibung der Welt des Kleinsten, der Quanten, und der Schwerkraft, der Gravitation, ermöglichen sollen (Quantengravitation) eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie vorher.

Dank ihrer einzigartigen Präzision bietet die Untersuchung der Wechselwirkung von Licht mit Atomen, die optische Spektroskopie atomarer Übergänge, die Möglichkeit, Annahmen und Vorhersagen der Relativitätstheorie experimentell zu testen. Im Jahr 2016 konnten die PTB-Physiker eine Uhr vorstellen, die auf dieser Wechselwirkung hochpräziser Laser mit einem bestimmten Atom (Ytterbium-Ion 171Yb+) beruht und eine relative Genauigkeit von 3 · 10hoch-18 erreicht: hätte man diese Uhr beim Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren gestartet, würde sie heute eine Sekunde falsch gehen. Zwei in unterschiedlichen Raumrichtungen orientierte Versionen dieser optischen Yb+-Uhr finden in der jetzigen Arbeit Anwendung, um die Lorentz-Symmetrie und insbesondere die Isotropie der Raumzeit – einfach ausgedrückt, physikalische Gesetze sind nicht richtungsabhängig – mit bisher unerreichter Präzision zu vermessen.

In einem Lorentz-symmetrischen Universum, wie es die Relativitätstheorie annimmt, muss ein physikalisches Experiment immer dasselbe Ergebnis liefern, unabhängig von seiner räumlichen Orientierung oder gleichmäßigen Bewegung. Aber bleibt diese Symmetrie bis an die Grenze des mit den Yb+-Uhren Messbaren gewahrt? Die schon vor über hundert Jahren mit dem Michelson-Morley-Experiment begonnene Tradition fortführend, gelang es Christian Sanner, Nils Huntemann und Richard Lange, die bislang besten Anisotropie-Limits um zwei weitere Größenordnungen nach unten zu verschieben. Quasi nebenbei – aber nicht weniger bedeutend – bestätigt ihr Langzeitvergleich die extrem geringe systematische Messunsicherheit der beiden optischen Ytterbiumuhren von weniger als 4 · 10hoch–18. Die Ergebnisse wurden in "Nature" veröffentlicht.

Ein neuer Weg zu standardisierter Nanometrologie

Den Helmholtz-Preis 2020 in der Kategorie „Anwendung“ erhält ein Team aus Forschern der Humboldt-Universität zu Berlin und der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Maximilian Kockert, Danny Kojda, Rüdiger Mitdank, Anna Mogilatenko und Saskia F. Fischer (Humboldt-Universität Berlin) sowie Zhi Wang, Johannes Ruhhammer, Michael Kröner und Peter Woias (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) ist es gelungen, erstmals ein standardisierbares Verfahren zur Messung von Strukturen im Bereich von Nanometern (tausendstel Mikrometern) zu entwickeln.

Das Problem bei Materialien mit derart kleinen Abmessungen ist, dass sie oftmals ganz andere Eigenschaften als die entsprechenden makroskopischen Materialien haben. Denn auf der Nanoebene spielt neben der Art des Materials die Form der Oberflächen eine große Rolle, also die Abmessungen oder die Oberflächenstruktur. Der vor hundert Jahren im Bauhaus geprägte Satz für Industriedesign und Architektur „Form follows function“ muss für Materialparameter auf der Nanometerskala häufig auf den Kopf gestellt werden: „Form defines function“. Dies ermöglicht, dass Materialparameter durch die Formgebung maßgeschneidert werden können. Umso wichtiger ist es, die Materialparameter dann auch genau und zuverlässig zu messen – was für die Metrologie eine Herausforderung ist.

Das Forscherteam stellt in seiner Arbeit nun standardisierbare Präzisionsmessungen des sogenannten Seebeck-Koeffizienten vor, die sich von ihrem Modellsystem, nämlich Drähten aus Silber mit Nanometer-Durchmesser und einer kristallinen Struktur (Einkristallen), auf andere Nanostrukturen und auch auf weitere Parameter ausweiten lassen. Damit hat die Gruppe den Nachweis erbracht, dass Hochpräzisionsmessungen für die vollständige thermoelektrische Charakterisierung (also die Messung von elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und des Seebeck-Koeffizienten) auch bei metallischen Nanomaterialien in standardisierter Weise über einen großen Temperaturbereich möglich sind. Die Ergebnisse wurden in "Scientific Reports" veröffentlicht.

Der Preis

Der Helmholtz-Preis wird vom Helmholtz-Fonds für hervorragende wissenschaftliche und technologische Forschung auf dem Gebiet „Präzisionsmessung in Physik, Chemie und Medizin“ verliehen – und zwar in den Kategorien „Grundlagen“ und „Anwendungen“. Wann und wo die Ehrung der diesjährigen Preisträger stattfindet, ist angesichts der derzeitigen Situation noch nicht festgelegt. Das geplante Heraeus-Seminar vom 11. bis 14. Mai in Bad Honnef („Hybrid Solid State Quantum Circuits, Sensors, and Metrology“), in dessen Rahmen die Preisverleihung geplant war, wurde abgesagt.

  • Christian Sanner, Nils Huntemann, Richard Lange, Christian Tamm, Ekkehard Peik, Marianna S. Safronova, Sergey G. Porsev; "Optical clock comparison for Lorentz symmetry testing"; Nature 567, 204 (2019).
  • M. Kockert, D. Kojda, R. Mitdank, A. Mogilatenko, Z. Wang, J. Ruhhammer, M. Kroener, P. Woias, S. F. Fischer; "Nanometrology: Absolute Seebeck coefficient of individual silver nanowires"; Scientific Reports 9, 20265 (2019).

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