Ressort Presse

• von Peter Kohl
• 28.02.2022

Zählen bestimmt unser Leben: Bei der Auswertung von Nervensignalen ebenso wie beim radioaktiven Zerfall, in der Mikroelektronik sowie im Magnetismus. Die Experimentelle Physik erfindet laufend neue Messtechniken und Experimente, doch je schneller gezählt wird und je kleiner die Signale sind, desto eher können Daten im Rauschen untergehen. Der Theoretische Physiker Eric Kleinherbers vom SFB1242 und CENIDE entwickelte mit Kolleg:innen nun ein neues Werkzeug, das mehr Licht ins Dunkel solcher Daten bringt.

Moderne Messgeräte sind so empfindlich, dass sie einzelne Quantensprünge detektieren können, d.h. die kleinstmögliche Änderung des Energiezustands eines Elektrons. Limitierende Faktoren bei dieser Beobachtung sind die Zeitauflösung des Detektors, das Hintergrundrauschen und die Beobachtungszeit. Zusätzlich verfälschen Detektionsfehler die gemessenen Informationen.

Für ihre Arbeit nutzten die Forschenden sogenannte selbstorganisierte Quantenpunkte, die ähnliche
Eigenschaften wie einzelne Atome haben, und bedienten sich eines Tricks: Der Quantenpunkt wird mit einem Laser angeregt und strahlt Lichtteilchen (Photonen) zurück, bis ein zusätzliches Elektron in den Quantenpunkt eintritt. Dann bricht der Lichtstrom ab. So kann durch die Photonen die Elektronenbesetzung in Echtzeit aufgezeichnet und im Anschluss statistisch ausgewertet werden.

Um zu testen, wie robust der neue Auswertungsalgorithmus ist, wurden aus dem Originaldatensatz absichtlich Daten gelöscht und so eine fehlerhafte Messung simuliert. „Es waren typische experimentelle Fehler: Signale, die für den Detektor zu schnell sind und daher übersehen werden oder eine Spitze im Rauschen, die ein Signal vorgaukelt“, erklärt Erstautor Eric Kleinherbers. Durch den Vergleich der Originalmesswerte mit den fehlerhaften Daten konnten die Forschenden nachweisen, dass die neue Methode der Auswertung viel fehlertoleranter ist als die bisher verwendeten Standardmethoden der statistischen Analyse. So wird das tatsächliche Verhalten der Elektronen und Photonen besser sichtbar und bringt Licht ins Dunkel der Quantenwelt.

Interessant ist die entwickelte Methode nicht nur für neue Messergebnisse – auch vorhandene Daten lassen sich nun nochmal genauer unter die Lupe nehmen, so Kleinherbers: „Wir stehen im engen Austausch mit Kolleginnen und Kollegen, die nun schauen möchten, was sich in ihren Daten vielleicht noch verbirgt.“

Originalveröffentlichung in „Physical Review Letters“: DOI

Weitere Informationen:
Eric Kleinherbers, Theoretische Physik, Tel. 0203/37 9- 3322, eric.kleinherbers@uni-due.de

Redaktion: Peter Kohl, SFB 1242, Tel. 0203/37 9-2822, peter.kohl@uni-due.de