Für den großen Erkenntnisgewinn ihrer wissenschaftlichen Arbeiten zu kleinsten Strukturen sind am 3. Dezember gleich drei Nachwuchswissenschaftler der TU Ilmenau mit dem Silicon Science Award 2025 ausgezeichnet worden: Dr. Arne Behrens, Lorenz Meyer und Vincent Haude. Mit dem Preis, der am 3. Dezember auf der internationalen Konferenz ,,WaferBond ’25" in Chemnitz vergeben wurde, würdigen der CiS e.V. und die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH insbesondere den hohen praktischen Nutzen ihrer anspruchsvollen Doktor-, Masterund Bachelorarbeiten zur Quantenphysik, Mikrooptik und Sensorik.
Flüstergalerien für Licht
In seiner Dissertation am Fachgebiet Technische Optik erforschte Dr. Arne Behrens sogenannte Whispering Gallery Mode Resonatoren (WGMRs) - mikroskopisch kleine, ringförmige Strukturen, in denen Licht ähnlich wie in einer akustischen Flüstergalerie im Kreis geführt wird. Solche Strukturen sind Bausteine vieler Zukunftstechnologien: Sie können als extrem empfindliche Sensoren dienen oder besonders präzise Laser stabilisieren. Auch in photonisch integrierten Schaltkreisen, das heißt winzigen Chips, die Lichtsignale in Wellenleitern steuern und verarbeiten, ermöglichen sie kompakte und energieeffiziente Lösungen.Damit die Lichtsignale stabil bleiben, müssen die Seitenwände dieser Mikrostrukturen extrem glatt und exakt geformt sein. Denn schon kleinste Abweichungen führen zu Lichtverlusten und beeinträchtigen die Resonatoreigenschaften. Das ist bis heute schwer zu erreichen, weshalb es bei herkömmlichen Verfahren meist notwendig ist, die Seitenwände aufwändig und technisch anspruchsvoll nachzubearbeiten und zu glätten.
Präzision jenseits klassischer Fertigungsgrenzen
Genau hier setzt die Forschung von Behrens am Zentrum für Mikround Nanotechnologien (ZMN) an: In seiner Arbeit entwickelte er ein plasmabasiertes Herstellungsverfahren weiter, mit dem sich die Seitenwandneigung und -rauheit von Mikrostrukturen in Silizium, Siliziumnitrid und Siliziumoxid deutlich präziser steuern lassen. Diese sogenannte 2.5D+-Mikrostrukturierung ermöglicht es erstmals, WGMRs direkt aus dem lithografischen Prozess heraus in hoher Qualität zu erzeugen - ohne arbeitsintensive Nachpolitur. Damit werden auch komplexere Resonatoranordnungen möglich, wie sie etwa für photonische Systeme und optische Mikrochips benötigt werden.Parallel dazu entwickelte Dr. Behrens eine neue Methode zur Charakterisierung dieser Resonatoren. Während eines Forschungsaufenthalts am Okinawa Institute of Science and Technology in Japan arbeitete er mit der anspruchsvollen Technik der optischen Kopplung über sogenannte tapered fibers. Auf Basis dieser Erfahrungen entwickelte er anschließend fluoreszierende Resonatoren, die sich mithilfe der sogenannten Einzelphotonenkorrelation besonders zuverlässig untersuchen lassen.
Wissenschaftlich sichtbar und engagiert über die Forschung hinaus
Die Ergebnisse seiner Arbeit veröffentlichte Dr. Behrens in hochrangingen internationalen Fachjournalen und präsentierte sie auf wissenschaftlichen Tagungen und Expertenworkshops. Betreut wurde er dabei von Stefan Sinzinger, Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs und Fachgebietsleiter Technische Optik an der TU Ilmenau:
Herr Dr. Behrens hat in geradezu idealtypischer Weise das Thema der whispering gallery mode Resonatoren mit großer wissenschaftlicher Kreativität weiterentwickelt und sich dadurch als Wissenschaftler und ausgewiesener Spezialist auf dem Gebiet der reaktiven Ionenätzens eine beachtliche Reputation erarbeitet. Neben dieser dokumentierten wissenschaftlichen Qualität seiner Arbeiten hat er mich vor allem auch mit seinen persönlichen Eigenschaften als langjähriger Mitarbeiter und weit überdurchschnittlich motivierter und engagierter Doktoranden am Fachgebiet Technische Optik der TU Ilmenau beeindruckt. So engagierte er sich unter anderem über viele Jahre hinweg in der Promovierendenvertretung der TU Ilmenau und setzte sich dort für bessere Rahmenbedingungen und mehr Austausch innerhalb der Doktorandenschaft ein.
Nach seiner Promotion wechselte Dr. Behrens zur Zeiss Semiconductor Manufacturing Technology (SMT) in Oberkochen. Dort arbeitet er als Spezialist für plasmabasierte Herstellungsprozesse und bringt seine Forschungsergebnisse direkt in die industrielle Mikrofabrikation ein.
Moleküle als Schalter für elektrischen Strom
Mit Quantenobjekten beschäftigte sich Lorenz Meyer in seiner Masterarbeit am Fachgebiet Experimentalphysik 1 der TU Ilmenau. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops untersuchte er, wie elektrischer Strom durch die Grenzfläche zwischen einem Normalleiter - also einem Material mit gewöhnlichem elektrischem Widerstand - und einem Supraleiter, der bei tiefen Temperaturen Strom verlustfrei leitet, fließt. Beide waren durch ein einziges Molekül miteinander verbunden.Der Strom in solchen Anordnungen wird durch die sogenannte Andreev-Reflexion getragen. Dabei werden Elektronen im Normalleiter in sogenannte Cooper-Paare im Supraleiter umgewandelt - und umgekehrt. Bisher ging man überwiegend davon aus, dass diese Umwandlung vor allem von der jeweiligen Materialkombination an der Grenzfläche abhängt.
Lorenz Meyer ist es gelungen, diese Sichtweise entscheidend zu erweitern und damit das physikalische Verständnis der Andreev-Reflexion auf atomarer Skala voranzutreiben. Dem Molekül wird nämlich eine entscheidende Aufgabe zuteil, wenn es darum geht, die Effizienz der Andreev-Reflexion zu steuern: Seine Bindung zu beiden Elektroden wird über ein Elektronenorbital vermittelt. Wenn dieses Orbital die passende Energie besitzt, erhöht es den elektrischen Leitwert des Kontakts - und damit auch die Rate der Andreev-Reflexionen.
Quanteneffekte an der atomaren Grenze
Der entscheidende Punkt dabei: Die Energie dieses Orbitals lässt sich gezielt verändern. Mit dieser Erkenntnis hat Lorenz Meyer, so Betreuer Prof. Jörg Kröger, nicht nur neue Aspekte der Andreev-Reflexion aufgedeckt, sondern auch einen wichtigen Schritt hin zur aktiven Kontrolle quantenphysikalischer Prozesse aus der makroskopischen Welt heraus getan.Seine Ergebnisse könnten, so der Thüringer Forschungspreisträger, künftig sogar technologische Anwendungen finden - etwa als aktive Bauelemente in miniaturisierten supraleitenden Schaltkreisen, die in der Quantenund Nanotechnologie immer bedeutender werden:
Die Studie von Herrn Meyer zeigt ein weiteres Mal, dass Experimente mit modellhaftem Charakter auf der atomaren Skala zu großem Erkenntnisgewinn führen. Es kommt zuvorderst nicht darauf an, eine Anwendung zu realisieren, sondern die einem Phänomen unterliegenden physikalischen Mechanismen und Prinzipien zu erkennen. Herr Meyer hat in diesem Sinn der Natur des Ladungstransports über Quantenkontakte in die Karten geschaut.
Die Arbeit von Herrn Meyer wurde im führenden Fachjournal der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft, Physical Review Letters, veröffentlicht, einem der bedeutendsten Journale für physikalische Forschung. Weil sie sowohl das grundlegende Verständnis der Physik voranbrachte als auch neue Perspektiven für quantentechnologische Anwendungen eröffnete, erhielt die Publikation zwei weitere Auszeichnungen. Sie wurde als Editors’ Suggestion ausgewählt und zusätzlich im Journal Physics unter dem Titel Superconductivity Traverses a Single Molecule Bridge hervorgehoben. Nun kommt die Auszeichnung mit dem Silicon Science Award hinzu.
Schnelle LEDS für die In-vitro-Diagnostik
Mit dem Silicon Science Award ausgezeichnet wurde auch Vincent Haude, Elektrotechnik-Ingenieur und Forscher am IMMS Institut für Mikroelektronikund Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH). Seine prämierte Abschlussarbeit ,,Entwicklung und Charakterisierung einer Schaltungstopologie zur Erzeugung kurzer LED-Lichtpulse" entstand in Zusammenarbeit mit dem IMMS und der TU Ilmenau und wurde von Alexander Rolapp, Spezialist für die Charakterisierung und den Test integrierter Schaltungen am IMMS, und Hannes Töpfer am Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik betreut.In seiner Bachelor-Thesis entwickelte und testete der Ilmenauer Nachwuchswissenschaftler eine sehr kompakte Schaltung, mit der sich LEDs deutlich schneller und präziser einund ausschalten lassen. Dadurch eignet sich das System besonders gut für Messverfahren, die kurze Lichtimpulse benötigen - etwa für die zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung. Mit ihrer Hilfe lassen sich beispielsweise selbst geringste Konzentrationen von Erregern nachweisen, die bislang relativ zeitund kostenaufwändig über große Analysegeräte in Zentrallaboren erfasst werden. Die von Vincent Haude entwickelte Schaltung eignet sich daher unter anderem für integrierte Sensorsysteme in Point-of-Care-Geräten zur In-vitro-Diagnostik, wie sie am IMMS erforscht und entwickelt werden. Sie ermöglichen es, medizinische Proben ohne Umweg ins Labor zu analysieren, um schnell und zuverlässig Diagnosen direkt vor Ort zu stellen oder therapeutische Maßnahmen zu überwachen.
,,Vincent Haude hat eine herausragende Arbeit zu einem sehr anspruchsvollen Thema vorgelegt, das Thüringens Innovationskraft in der Schlüsselbranche Sensorik stärkt", so Prof. Töpfer:
Mit immer empfindlicheren Sensorsystemen lassen sich Analyseverfahren in Medizin und Umweltanalytik verbessern und sind somit von erheblichem gesellschaftlichem Interesse.
Mehr über die Arbeit von Vincent Haude
Über den Silicon Science Award
Der Silicon Science Award wird alle zwei Jahre durch den CiS e.V. und das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik vergeben. Prämiert werden herausragende Bachelorund Masterarbeiten sowie Dissertationen, die einen Bezug zu siliziumbasierter Mikrosystemtechnik, Optoelektronik und Quantentechnologien aufweisen und für viele wissenschaftliche und wirtschaftliche Innovationen grundlegend sind, um gesellschaftliche Herausforderungen wie Klimaschutz oder Ressourceneffizienz zu lösen. Eine Jury aus Sachverständigen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Mitgliedern des Wissenschaftlichen Beirats und des Vorstands des CiS e. V., beurteilt die eingereichten Arbeiten unter anderem hinsichtlich ihres Innovationsgrads und ihrer wissenschaftlichen Bedeutung.Originalpublikationen
Arne Behrens, Stefan Sinzinger, "2.5D+ plasma etching for a continuously adjustable sidewall angle in SiO2," Opt. Mater. Express 13, 1780-1796 (2023).Christoph Weigel, Ulrike Brokmann, Meike Hofmann, Arne Behrens, Edda Rädlein, Martin Hoffmann, Steffen Strehle, Stefan Sinzinger, ,,Perspectives of reactive ion etching of silicate glasses for optical microsystems, Journal of Optical Microsystems", Vol. 1, Issue 4, 040901 (December 2021). https://doi.org/10.1117/1.JOM.1.4.040901
Lorenz Meyer, Jose L. Lado, Nicolas Néel, Jörg Kröger, ,,Control of Andreev Reflection via a Single-Molecule Orbital", Phys. Rev. Lett. 134, 146201 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.146201
