Licht als Werkzeug, Datenträger und Blitzableiter

Ob Leuchtdiode oder Solar­zelle, Speichern und Verarbeiten digitaler Daten oder die Strukturierung von Werkstoffen, bild­gebende Verfahren oder Spektroskopie: Photonen ermöglichen zahlreiche Anwendungen, die auf allen Gebieten in vergangenen Jahr mal größere, mal kleinere Fort­schritte aufzeigen konnten. Alle diese Prozesse basieren letztendlich auf grund­legender Forschung, die vor Jahren oder gar schon vor Jahr­zehnten erfolgte. Auch 2021 drangen Physikerinnen und Physiker immer tiefer in die grund­legenden Prinzipien der Photonik ein, die schon bald wieder neue Anwendungen ermöglichen könnten.

Der experimentelle Nachweis eines neuen Teilchens, des Phonoritons, gelang einer Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg. Die Synthese des Drei-Komponenten-Teilchen aus Exzitonen, Phononen und Photonen stellt einen völlig neuen Ansatz für die Veränderung der Material­eigenschaften dar und lässt bisher unentdeckte Effekte erwarten. Eine komplexe Lichtstruktur in vier Dimensionen konstruierte ein Team an der Universität Münster. Mit dieser Methode lässt sich Licht so strukturieren, um neue Arten von Laserstrahlen entwickeln oder eine optische Material­bearbeitung präziser gestalten zu können. Und Quantenforscher an der Universität Innsbruck konnten belegen, dass Photonen für eine gegenseitige Aufhebung nicht völlig ununterscheidbar sein müssen. Sie erwarten neue Möglichkeiten für die Informations­verarbeitung mit identischen Quantenteilchen.

Ein völlig neuartiges Verhalten von Lichtwellen beobachteten Physiker aus Rostock und Mailand, bei welchem Licht durch eine neue Art von Unordnung auf kleinste Raumbereiche begrenzt wird. Paradoxerweise konnte das Licht trotzdem sprungartig seinen Ort ändern, was das aktuelle Verständnis über Lichtwellen auf die Probe stellt. Einer Verzögerung beim eigentlich sehr gut erforschten Photoeffekt kamen Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik auf die Spur. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neuartige Materialien mit optimierten elektronischen Eigenschaften und optimierter Licht-Materie Wechsel­wirkung zu entwickeln, wie sie zum Beispiel für effizientere Solarzellen. Als ebenfalls relevant für die Photovoltaik könnte sich eine Echtzeitanalyse einer Singulett-Exzitonen­spaltung in Pentacen-Molekülen erweisen, die einer Gruppe um Forscher des Fritz-Haber-Instituts in Berlin gelang. Und Lichtpulse von höherer, laserartiger Qualität aus Synchrotron­strahlungs­quellen lassen sich durch per Laser manipulierte Elektronen­pakete emittieren, wie ein Forscherteam aus Deutschland und China im vergangenen Jahr zeigen konnte.

Näher an möglichen Anwendungen sind im Detail ermittelte neue Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie, besonders in zweidimensionalen Materialien. So entwickelten Physiker aus Jena und Mailand eine neue Methode zur nichtlinearen Signal­modulation in 2D-Materialien. Ihre Entwicklung ebnet möglicherweise neuartigen integrierten High-Speed-Frequenz­wandlern den Weg, die etwa bei der schnellen Datenübertragung Verwendung finden. Nanophotoniker der Universität Paderborn demonstrierten erstmals die räumliche Beschränkung einer Lichtwelle auf einen Punkt kleiner als die Wellenlänge in einem topologischen photonischen Kristall. Auf dieser Basis könnten in Zukunft Kristallstrukturen mit speziellen Quanten­emittern zur Erzeugung einzelner Photonen ausgestattet werden mit einem Nutzen für optische Quantencomputer. Gleich ein ganz neues Modell für Licht-Materie-Wechselwirkung stellten theoretische Physiker des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg auf. Damit lassen sich Wechsel­wirkungen schneller als bisher berechnen. So bietet die Methode einen Weg, Quantenlicht stärker in die Chemie, das Material­design und die Quanten­technologie zu integrieren.

Eine aktive Kontrolle zirkular polarisierten Lichts gelang am Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden mit einer neuen Design­strategie zur Herstellung dünner, nanostrukturierter Schichten. Damit wollen die Forscher die Entwicklung tragbarer Spektrometer und von „Lab-on-a-chip“-Plattformen vorantreiben. Eine grundlegende Eigenschaft von topologischen Isolatoren konnte ein Forschungs­team aus Deutschland, Spanien und Russland unter Federführung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR mit kurzen Terahertz-Pulsen offenlegen. Die Resultate sind nicht nur für das fundamentale Verständnis dieser neuartigen Quanten­materialien wichtig, sondern könnten künftig für eine schnellere mobile Daten­kommunikation sorgen oder in hochempfindlichen Detektor­systemen eingesetzt werden. Und mit Hilfe einer optischen Pinzette können Forscher aus Göttingen und Münster in eine lebende Zelle hineinfühlen, ohne diese zu berühren oder zu verletzen. Ihr Werkzeug besteht aus hoch­fokussierten Infrarot­lasern, die intrazelluläre Partikel einfangen und in Schwingung versetzen können.

Ganz praktischen Nutzen für Laser bietet dagegen eine neue Methode Bonner Physiker, um Laserstrahlen sehr viel schneller als bisher zu justieren. Eine elliptische Polarisation bildete dabei die Basis für eine Art Förderband aus Licht, mit dem sich Laserstrahlen auch im Vakuum sichtbar machen ließen. Um die Abstände von extrem kurzen Laserpulsen gezielt und schnell zu steuern, setzten Forscher der Universitäten Bayreuth und Konstanz auf eine stabile Kopplung dieser ultrakurzer Lichtblitze. Die Erklärung für diese Kopplung fanden sie mit einem Laserresonator aus Glasfasern, der ein endloses Umlaufen von Solitonen-Molekülen, also miteinander verkoppelten Femto­sekunden­blitzen, ermöglichte. Ein neues Konzept für die Erzeugung von intensiver extrem-ultravioletter Strahlung (XUV) – genutzt in der Chipproduktion – fand eine internationale Gruppe um Physiker vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeit­spektroskopie in Berlin. Mit einem sehr dichten Atomstrahl konnten sie einen XUV-Laser so stark verkleinern, dass der gesamte Aufbau sich nur noch über zwei Meter erstreckte.

Eine optimierte Nutzung von Lasern als Werkzeug hatte dagegen das Unternehmen Manz im Blick. Dessen Forscher entwickelten ein neuartiges Laser­schweiß­verfahren, um Kosten und Komplexität der in der Produktion von Lithium-Ionen Batteriezellen zu senken. Günstigere und vielseitigere Leistungs­elektronik machen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT mit einem neuen Laserverfahren möglich. Dank ihrer laserbasierten Fügetechnik können nun Hybrid­leiter­platten statt wie bisher Keramiken für die elektronischen Bauteile genutzt werden. Und eine eher ungewöhnliche Laser­anwendung erprobte das Unternehmen Trumpf gemeinsam mit der Universität Genf auf dem Schweizer Berg Säntis: Sie nutzten einen extrem starken Laser als Blitz­ableiter. Tausend Laserpulse schossen sie pro Sekunde in die Wolken und konnten dadurch erfolgreich das Einschlagrisiko bei Gewittern drastisch senken. 

Photonische Prozessoren, bei denen Daten mittels Licht transportiert und Informationen sehr viel schneller und parallel verarbeitet werden als in elektronischen Chips, hatten Wissenschaftler der Uni Münster im Fokus. Mit einem chipbasierten Frequenz­kamm beeinflussten sie die photonischen Strukturen in Phasenwechselmaterialien für eine parallele Datenverarbeitung. Eine schnellere und stabilere Quanten­kommunikation erreichten Physiker am Wiener Institut für Quantenoptik und Quanten­information mit einer hochdimensionalen Verschränkungen in Systemen aus zwei Photonen. Damit könnten in Zukunft Photonenpaare realisiert werden, die zehn bis hundert Mal so viel Information tragen wie zweidimensional verschränkte Systeme. Rostocker Wissenschaftler schufen dreidimensionale, photonische Netzwerke, um verschränkten Licht­teilchen mit der Polarisation einen neuen Freiheitsgrad zu geben und für hoch­leistungsfähige Quantencomputer nutzbar zu machen.

Für eine bessere optische Bildgebung gelang am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM die Entwicklung einer neuen High-Speed-Kamera mit mehr Tiefenschärfe. Ihre plenoptische Kamera filmte mit bis zu 2000 Bildern pro Sekunde. Ein Endoskop, das eine 3D-Bildgebung mit nahezu Videoraten durch eine einzelne, haarfeine Glasfaser ermöglicht, hat ein Forscherteam aus Großbritannien und Deutschland entwickelt. Dabei kombinierten die Forscher ihr Mikro­endoskop mit einem Lichtlaufzeitverfahren, um neben 2D-Reflexionsbildern auch Tiefen­informationen zu erhalten. Und um Tumorränder bereits während der Operation sichtbar zu machen, nutzten Jenaer Forscher ein neuartiges Faser-Endoskop. Die Endoskop-Sonde kombinierte gleich drei Bild­gebungs­techniken auf einmal und lieferte so räumlich hoch aufgelöste Gewebebilder.

Bei der Entwicklung leistungsfähigerer Spektrometer widmeten sich viele Forscher 2021 besonders dem infraroten Spektralbereich. Ein nur ein Gramm leichtes Infrarot-Spektrometer für die Integration in Smart­phones entwickelten Forscher am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz. Solche potenziell extrem günstigen Spektrometer könnten gefälschte Arzneimittel aufspüren, den Reifegrad von Getreide bestimmen oder die Luftqualität in Innen­räumen messen. Ähnliche Anwendungen ermöglicht eine chip­basierte IR-Kamera von Forschern der Empa, der EPFL, der ETH Zürich und der Universität Siena. Ihr Modul entspricht einem OLED-Display mit drei weiteren, IR-sensitiven Zusatz­schichten. Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF nutzten einen IR-Sensor für einen pfiffigen 3D-Scanner. Dieser konnte Gegenstände dreidimensional scannen – ganz gleich, ob sie aus transparentem Kunststoff oder Glas bestehen. Selbst Objekte mit glänzend metallischen oder tiefschwarzen Oberflächen ließen sich problemlos erfassen.

Und nicht zuletzt wurden im vergangenen Jahr auch Grundlagen für neue, effizientere Lichtquellen geschaffen. Für eine neue Klasse von organischen Leuchtdioden stellten Forscher an der Universität Basel leuchtende Mangan-Komplexe her, in denen unter Bestrahlung mit Licht die gleichen Reaktionen ablaufen wie in Ruthenium- oder Iridium-Verbindungen. Der Vorteil: Mangan kommt in der Erdkruste 900.000-mal häufiger vor als Iridium, ist deutlich weniger giftig und um ein Vielfaches kostengünstiger. Um in Zukunft leuchtende Materialien schneller aufzuspüren, bietet seit 2021 die Bundes­anstalt für Material­forschung und -prüfung als weltweit erstes Institut eine Sammlung fluoreszierender Referenz­materialien an. Zudem entwickelten sie Verfahren zur Charakterisierung der Quanten­ausbeute lumineszenter Materialien. Damit lassen sich nun Qualität, Performance und Eignung verschiedener leuchtender Partikel besser bewerten und miteinander vergleichen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos

• J. O. Löfken: Laser, Lichtchips und Sensoren – Jahresrückblick Optik & Photonik 2020, pro-physik.de, 7. Januar 2021
• J. O. Löfken: Lichtwirbel, Anti-Laser und leuchtende Moleküle – Jahresrückblick Optik & Photonik 2019, pro-physik.de, 8. Januar 2020

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