Wissenschaftlicher Fall:

Aktuelle Fortschritte in der Nanofabrikation ermöglichen es Quantentechnologien zu miniaturisieren und skalierbar zu machen. Insbesondere für photonische Quantennetzwerke sind integrierte Einzelphotonenquellen, optische Nichtlinearitäten und Einzelphotonenmessungen von entscheidender Bedeutung. Die ersten beiden Effekte können durch die starke Kopplung eines Quantenemitters an das Lichtfeld von nanophotonischen Wellenleitern und Resonatoren implementiert werden. Die generierten Photonen können in Folge zu  für diese Anwendung entwickelten Einzelphotonendetektoren transportiert werden. Ein Ziel ist es auch solche Systeme bei Raumtemperaturen zu realisieren, was einen Meilenstein darstellt, der bisher noch nicht erreicht werden konnte.

Hypothesen und Zielsetzungen:

Quantenemitter aus hexagonalem Bornitrid (hBN) können bei Raumtemperatur ununterscheidbare Photonen emittieren und eröffnen dadurch die Möglichkeit zur ersten integrierten Einzelphotonenquelle und optischen Nichtlinearität auf Chipbasis bei Raumtemperatur. Da hBN ein CMOS-kompatibles Material ist, können alle Komponenten des Systems in einer integrierten Schaltung potenziell geeignet für Massenproduktion, untergebracht werden. Um ein solches System zu realisieren, müssen mehrere Herausforderungen bewältigt werden: das Co-Design geeigneter nanophotonischer Wellenleiter, Resonatoren und Elektroden für die Abstimmung der Quantenemitter; die Integration dieser Komponenten mit den Emittern; die Implementierung von Detektoren mit der erforderlichen zeitlichen Auflösung; die Trennung von Anregungs- und Fluoreszenzlicht; die Analyse der Photonenstatistik über Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) oder direkt in Kombination mit dem Detektor unter Verwendung von Mixed-Signal-ASIC-Design.

Ansätze und Methoden:

• Nanophotonische Komponenten und Integration mit Quantenemittern: Für eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung werden geeignete Wellenleiter und Resonatoren auf der Basis von SiN auf SiO₂ entworfen und hergestellt. Die Quantenemitter aus hBN werden von „Graphene Supermarket“ und einem Kollaborator der Universität Cambridge, UK (Prof. Stephan Hofmann) bezogen. Hier ist das Fachwissen des Co-Supervisors S. Skoff von wesentlicher Bedeutung, welche auch über die erforderliche Erfahrung bei der Kopplung von Quantenemittern in hBN mit solchen Komponenten verfügt.
• Tuning Elektroden: Elektroden, die die Abstimmung der Emissionswellenlängen der Quantenemitter ermöglichen, werden entworfen und dann mittels Elektronenstrahllithographie auf den Nanophotonen-Chips hergestellt.
• Avalanche-Photodioden-Arrays: Um die erzeugten Photonen und alle nichtlinearen Effekte in einem integrierten Bauelement zu detektieren und zu analysieren, sind effiziente und schnelle On-Chip-Detektoren erforderlich. Wir werden ein anwendungsspezifisches Avalanche-Photodioden-Array (APD) in einem integrierten HV-CMOS-Prozess mit integrierter Verstärkung und Systemauslesung verwenden. Für das entsprechende Layout und die Leistungsoptimierung werden numerische und EDA-Tools wie COMSOL, TCAD, Quantum-ATK und Cadence benötigt. Die Herstellung wird mit kommerziellen Partnern über „Europractice“ erfolgen.
• Optische Filterung: Da APDs nicht auf unterschiedliche Wellenlängen empfindlich sind, müssen optische Filterstrukturen implementiert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Entkopplung von Anregungs- und Fluoreszenzlicht effizient ist. Hier werden erste Versuche mit kommerziellen Opto-CMOS-Optionen unternommen, aber auch On-Chip-Halbleiter-Heterostrukturen sollen, basierend auf einer bestehenden Kooperation mit Dr. Detz vom CEITEC in Brno (CZ) untersucht werden.
• Analyse: Die Analyse der Photonenstatistiken der Licht-Materie-Grenzfläche wird entscheidend sein, um die Effizienz der Vorrichtung zu bestimmen und sicherzustellen, dass einzelne Photonen tatsächlich mit einzelnen Quantenemittern wechselwirken. Für die effiziente Verarbeitung der Signale werden feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) eingesetzt, die eine schnelle Signalverarbeitung ermöglichen, ohne dass die große Menge an erzeugten Rohdaten gespeichert werden muss. Dieser Teil wird stark vom Austausch mit den Mitgliedern des Konsortiums profitieren, die an der Hochenergiephysik arbeiten, da sie Experten in der Signalverarbeitung sind.y

Betreuung:

C. Koller (FHWN, Betreuer), S.M. Skoff (TU Wien, Co-Betreuer), M. Schlauff (FHWN, Co-Betreuer)

Wissenschaftlicher Hintergrund:

Kryogene TES-basierte Detektoren sind vielseitig einsetzbar für die Suche nach Dunkler Materie und Neutrino-Physik. Wir setzen sie in drei Experimenten ein: NUCLEUS, CRESST und COSINUS. NUCLEUS wird Präzisionstests des Standardmodells der Teilchenphysik durchführen, indem es die kohärente Neutrino-Kern-Streuung an einem Kernreaktor in Chooz, Frankreich, misst. Das CRESST-Experiment ist spezialisiert auf Dunkle-Materie-Detektoren mit niedriger Schwelle und führt die weltweite Suche nach Dunkle-Materie-Teilchen mit einer Masse von weniger als 1 GeV an. COSINUS verwendet NaI-basierte kryogene Detektoren, um den behaupteten Nachweis auf Dunkle Materie von DAMA/LIBRA auf eine material- und modellunabhängige Weise zu klären. COSINUS wurde im 04/2024 im Untergrundlaboratorium LNGS in Italien eingeweiht und wird Anfang 2025 mit der Aufzeichnung von Dunkle-Materie-Daten beginnen.

Hypothesen und Ziele:

Alle drei Projekte teilen sich dieselbe Datenaufzeichnung (genannt VDAQ), die derzeit in der gemeinsamen Gruppe der TU Wien und des HEPHY entwickelt wird. Zu Vergleichszwecken werden die Daten in den Experimenten mit verschiedenen Softwarepaketen analysiert, wobei eines der Hauptpakete (genannt CAIT) ebenfalls in der Gruppe TU Wien/HEPHY entwickelt wird. Dieses Doktorandenprojekt konzentriert sich auf die Suche nach Dunkler Materie mit COSINUS, aber dessen Entwicklungen können auch von CRESST und NUCLEUS genutzt werden. Das Hauptziel der Arbeit  besteht darin, die Empfindlichkeit von TES-basierten kryogenen Detektoren durch Beiträge zur Datenaufzeichnung und zur Rohdatenanalyse zu verbessern. Die versatile data aquisition (VDAQ) ist ein integriertes System zur Betreibung der TES-Detektoren und zur Erfassung der resultierenden Signale. Wie der Name schon sagt, ist es weitaus vielseitiger als bestehende Systeme, was in diesem Dissertationsprojekt vollständig ausgenutzt werden soll.

Ansätze und Methoden:

Der/die DisstertantIn wird an der Umstellung von einem konstanten Biasstrom des TES auf einem modulierten Bias arbeiten. Ein Nachteil des derzeit verwendeten konstanten Bias ist, dass künstliche elektrische Heizimpulse benötigt werden, um den Arbeitspunkt des TES beim Übergang zwischen normalem und supraleitendem Zustand zu bestimmen. Mit einem modulierten Bias wird der Widerstand des TES kontinuierlich gemessen, wodurch diese Heizimpulse überflüssig werden und die Totzeit reduziert wird. Darüber hinaus könnte eine Biasmodulation das Signal in Frequenzbereiche verschieben, die weniger von Rauschen betroffen sind. Ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis verbessert direkt die Empfindlichkeit der Detektoren und übersetzt sich somit direkt in eine größere Sensitivität für der Experimente. Die Hardware der VDAQ ist bereits in der Lage, einen modulierten Bias zu senden. Das HEPHY zieht im 05/2024 an einen neuen Standort und plant den Aufbau eines kryogenen Labors, einschließlich eines Kryostaten zur Betreibung von TES-basierten Detektoren. Dieser Kryostat würde für den/die DissertantIn und die Entwicklung der modulierten Betriebsweise verfügbar werden. Zusätzliche Testeinrichtungen stehen an kooperierenden Instituten zur Verfügung, hauptsächlich MPI München (CRESST/COSINUS), TU München (CRESST/NUCLEUS) und LNGS (CRESST/COSINUS).

Die zweite Säule des vorgeschlagenen Dissertationsthemas wird die Rohdatenanalyse im Rahmen von CAIT sein. Wir werden einen kontinuierlichen, totenzeitfreien Datenstrom aufzeichnen. Anschließend wird ein Softwaretrigger offline angewendet und die Pulsamplitude jedes Pulses rekonstruiert. Diese Aufgaben werden typischerweise mit einem sogenannten optimalen Filter durchgeführt. Dieser Filter ist optimal (im Frequenzbereich) für eine feste Pulsform (mit variabler Amplitude) und feste Rauschbedingungen. Der/die DissertantIn wird diesen Filter erweitern, um auch dann zu funktionieren, wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind. Die wesentliche Erweiterung wäre der Wechsel von einem festen zu einem adaptiven Filter (auch Matrixfilter genannt), der verschiedene Baselinemodelle ermöglicht und die Rekonstruktion von Pile-up einschließt. Auch für diese Säule besteht das Hauptziel darin, die Totzeit zu reduzieren, den Dynamikbereich zu erweitern und das Signal-Rausch-Verhältnis für eine direkte Verbesserung der Dunkle-Materie-Empfindlichkeit des COSINUS-Experiments zu erhöhen.

Der/die DissertantIn wird die Möglichkeit haben die entwickelten Methoden auf Daten von COSINUS anzuwenden und die Ergebnisse in dedizierten Artikeln zu veröffentlichen. Die Verbindung von Arbeit an der Datenaufzeichnung und Rohdatenanalyse wird zu einem tiefen Verständnis der beiden Systeme führen, was für einen maximalen Output sehr vorteilhaft ist.

Die langfristige Perspektive besteht darin, zum aufstrebenden Gebiet der Quantensensorik mit supraleitenden Sensoren und unserer Expertise in ihrer langfristigen Anwendung bei der Suche nach seltenen Ereignissen beizutragen. In diesem Zusammenhang ergeben sich natürliche Verbindungen zu den anderen Projekten mit großem Potenzial für den Wissenstransfer aufgrund ergänzender Expertise, Erfahrung und Fähigkeiten.

Betreuung:

F. Reindl (TU Wien, Betreuer), W. Treberspurg (FHWN, Co-Betreuer), H. Frais-Kölbl (FHWN, Co-Betreuer)

Wissensschaftlicher Hintergrund:

Halbleitersensoren mit Sub-Elektronenrauschen bieten das Potenzial, einen unbekannten Parameterraum in Experimenten zum direkten Nachweis leichter dunkler Materie (DM) zu untersuchen. Der Streuprozess zwischen dunkle Materie Teilchen und Elektronen ermöglicht eine ausreichende Empfindlichkeit selbst bei Detektormassen von wenigen kg.

Hypothesen und Zielsetzungen:

Fortschrittliche RNDR-DEPFET-Detektoren bieten einzigartige Eigenschaften für die Suche nach dunkler Materie, bspw. eine hohe Zeitauflösung, die eine verbesserte Unterdrückung des Hintergrunds ermöglicht. Der hohe Grad an Parallelisierung und die Einzelelektronenauflösung - selbst bei moderaten Temperaturen (ca. -40°C) - ermöglichen eine Integration des Detektors in kompakte Systeme mit einem vereinfachten, modularen Instrument. Das Potential eines solchen Instruments für satellitengestützte Anwendungen (zur Untersuchung von DM-Kandidaten im Weltraum oder zum direkten Nachweis von Exo-Planeten) soll untersucht werden. Im Gegensatz zu CCD-basierten Technologien handelt es sich bei DEPFETs um aktive Pixelsensoren ohne signifikanten Ladungstransfer. Dies führt zu einer verbesserten Strahlungshärte, die mit Bestrahlungsstudien von Prototypen in der MedAustron Anlage untersucht werden soll. In diesem Zusammenhang werden die Mechanismen von Schäden im Kristallgitter, bei denen es sich um vielversprechende Kandidaten für eine zusätzliche Ereignissignatur bei der Suche nach dunkler Materie handelt, untersucht.

Ansätze und Methoden:

• Charakterisierung von spezifischen RNDR-DEPFETs: Einzel Pixelsensoren werden betrieben und getestet, um spezifische Merkmale und die Auswirkungen auf die DM-Suche zu charakterisieren. Zu diesen Strukturen gehören „Gated Pixel“, bei denen die Ladungssammlung während des Auslesens geblendet wird oder das Signal an einen zusätzlichen Ausleseknoten umgeleitet wird. Bestrahlungstests bei MedAustron dienen dazu, die Auswirkungen einer Schädigung des Kristallgitters – u.a. mit Tieftemperatureinrichtungen – auf die Leistung des Instruments zu untersuchen, sowie das Potenzial für eine weitere Ereignissignatur von DM. Die Inbetriebnahme und Analyse der Detektoren wird durch das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft unterstützt, welches die Sensoren herstellt und entwickelt.
• Datenaufnahme und -analyse: Kilopixelsensoren werden innerhalb eines „Surface runs“ betreibe, um Daten aufzuzeichnen und auszuwerten. Eine Auswertung der Hintergrundsignale ermöglicht die Optimierung der Abschirmung und des Betriebsmodus des Detektors. Die Hintergrundstudien und die Berechnung der von ausgeschlossenen Parametern von dunkler Materie erfolgen in enger Zusammenarbeit mit HEPHY-Experten und Doktoranden der Doktorandenschule.
• Modellierung des Einsatzes von spezifischen RNDR-DEPFETs: Auf der Grundlage der Sensor- und Hintergrundcharakterisierung wird die erreichbare Verbesserung eines Instruments modelliert, das die untersuchten RNDR-DEPFETs in einem Kilopixelsensor einsetzt. Dies umfasst insbesondere die Betriebsmodi in Bezug auf die Zeitauflösung. Es wird erwartet, dass eine schnelle Auslesung bis hin zum vollparallelen Betrieb die spezifischen Eigenschaften der RNDR-DEPFET Strukturen erfordert, die ebenso einen optimierten Betrieb auch bei nicht optimierter Hintergrundumgebung ermöglichen.

Betreuung:

W. Treberspurg (FHWN, Betreuer), J. Schieck (TU Wien, Co-Betreuer), C. Scharlemann (FHWN, Co-Betreuer)

Literatur:

• Bähr, A., Kluck, H., Ninkovic, J. et al. DEPFET detectors for direct detection of MeV Dark Matter particles. Eur. Phys. J. C 77, 905 (2017). https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-5474-5
• W. Treberspurg, A. Bähr, H. Kluck, P. Lechner, J. Ninkovic, J. Treis, H. Shi, J. Schieck, "Performance of a kilo-pixel RNDR-DEPFET detector," Proc. SPIE 12191, X-Ray, Optical, and Infrared Detectors for Astronomy X, 1219119 (2022); https://doi.org/10.1117/12.2629248

Wissenschaftlicher Hintergrund:

Experimente am Large Hadron Collider (LHC) Beschleuniger des europäischen Kernforschungszentrums (CERN) untersuchen Vorgänge fundamentaler Wechselwirkungen. Beim Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment kollidieren die Teilchen mit einer Rate von 40 MHz, so dass nur ein Bruchteil der gemessenen Information aufgezeichnet werden kann. Aus diesem Grund wird ein komplexes Filtersystem - der sogenannte Trigger - eingesetzt, um interessante Ereignisse aus der Summe aller Teilchenkollisionen auszuwählen. Das zweistufige Triggersystem wendet zunächst relativ einfache Regeln an, die in der Hardware-Ebene integriert sind und dann komplizierte Regeln auf der Software-Ebene. Schlussendlich werden die Kollision Ereignisse mit einer Rate von etwa 1 kHz aufgezeichnet.

“Machine learning” (ML) hat in diesem Prozess an Bedeutung gewonnen, aber in der Umsetzung sind leistungsfähigere Algorithmen in der Regel zu langsam, so dass Kompromisse eingegangen werden müssen

Hypothesen und Ziele:

Aktuelle Fortschritte im Bereich des maschinellen Lernens und neuronaler Netze verwenden Architekturen mit geringer numerischer Genauigkeit. Diese vereinfachen Berechnungen, welche für allgemeine nichtlineare multivariate Algorithmen erforderlich sind, drastisch. Mit diesen Architekturen konnte der Stromverbrauch von Large-Language-Modellen (LLMs) und graph-neuronalen Netzen (GNNs) um Größenordnungen gesenkt werden, ohne dass die Qualität der Vorhersagen des trainierten Modells darunter litt. Die Einfachheit der zugrundeliegenden binären und ternären Berechnungen macht FPGAs zur idealen Plattform für die Nutzung der gesteigerten Leistungseffizienz im Kontext von Anwendungen mit hohem Durchsatz.

Ansätze und Methoden:

In dieser Arbeit wird der erfolgreiche Bewerber fortgeschrittene binäre und ternäre Präzisionsalgorithmen für maschinelles Lernen entwickeln. Diese werden für die Ereignis- und Objektrekonstruktion bei der Auswahl und Rekonstruktion von Daten des CMS-Experiment am LHC verwendet, einschließlich der kritischen Phase der Online-Ereignis-Auswahl. Dabei spielen  FPGA-Anwendungen eine entscheidende Rolle. 

• Mit der Gruppe für maschinelles Lernen am HEPHY werden geeignete Algorithmen ausgewählt und trainiert und Werkzeuge für das Benchmarking und die Validierung entwickelt. 
• Innerhalb der HEPHY CMS-Gruppe werden die relevanten Datensätze identifiziert, die ML-Darstellung der Daten definiert und die Leistung mit den bestehenden Online-Auswahl Algorithmen verglichen. 
• Das Modell wird mit einem FPGA-Emulator-Framework getestet und auf FPGAs eingesetzt. Bei erfolgreichen Ergebnissen werden die entwickelten Algorithmen und Komponenten in die zukünftige Datenerfassung des CMS Experiments integriert.

Betreuung:

Claudia-Elisabeth Wulz (TU Wien, Betreuerin), Robert Schöfbeck (TU Wien, Co-Betreuer), Claudius Krause (HEPHY, Co-Betreuer), Helmut Frais-Kölbl (FHWN, Co-Betreuer)

Wissenschaftlicher Hintergrund:

Wir wollen erforschen, wie die Funktion von Quantensensoren wie Atomuhren und Atominterferometern verbessert werden kann, in dem die Wechselwirkungen zwischen den Atomen gezielt gesteuert werden. In Cäsium, was als Quelle für unsere ultrakalte Materiewelle dient, können diese Wechselwirkungen mit Hilfe von statischen Magnetfeldern oder Mikrowellen kontrolliert werden. Diese Experimente benötigen eine hohe Genauigkeit in der Atomzahlmessung, dazu wollen wir einen Detektor im nahen Infrarot entwickeln, um die Cäsiumatome mit einer hohen Quanteneffizienz abbilden zu können. Mithilfe dieser Messdaten können dann die erzeugten Quantenzustände charakterisiert werden.

Unsere Ziele:

Typische experimentelle Aufbauten zur Durchführung solcher wissenschaftlicher Projekte sind hochspezialisierte Apparaturen, die es ermöglichen, ein bestimmtes Experiment durchzuführen. Die Kaltatome-Gemeinschaft verfolgt diesen Ansatz erfolgreich mit einer zunehmenden Kontrolle über komplexe Quantensysteme, aber zukünftige Anwendungen in der Sensorik und Metrologie erfordern Integrierbarkeit, Skalierbarkeit und potenziell parallelen Betrieb. Unser Ziel ist es, einen Detektor zu entwerfen, der vielseitige Anwendungen in der quantenbasierten Metrologie hat, aber auch zur Untersuchung von Quantensystemen eingesetzt werden kann, die von grundlegendem Interesse sind.

Unsere Methoden:

•  Ausgehend von der vorhandenen Detektortechnologie an der FWHN beginnen und die bevorzugte Lösung für die Fluoreszenz- und Absorptionsabbildung von Caesiumatomen bei 852 nm finden. Zunächst werden wir den besten Detektortyp auswählen, basierend auf Quanteneffizienz, Detektionsfläche und Auslesegeschwindigkeit identifizieren. Der Detektor wird dann mit optischen Fallen unter einem Atomchip integriert.
• Wir werden mit den anderen Mitgliedern von Scies4free bei der Ausleseelektronik und der statistischen Datenanalyse zusammenarbeiten. Wir werden untersuchen, ob und wie der neue Detektor die Leistung der Quantensensorik verbessern kann, indem wir das detektierte photonische Signal mit der erwarteten Atomzahl und ihrer Quantenstatistik vergleichen.
• Sobald der Detektor vollständig in unseren experimentellen Aufbau integriert ist, werden wir mittels der Fluoreszenzerkennung von optisch gefangenen Caesiumatomen die Steuerung der Wechselwirkungen anhand von Resonanz und Verlustmessungen charakterisieren

Betreuung:

T. Schumm (TU-Wien, Betreuer), S. Manz (TU Wien, Ko-Betreuerin), C. Koller (FHWN, Ko-Betreuer)