07.01.2019 • JahresrückblickLaserLasertechnik

Nanolaser, Quantenoptik und Mikroskope

Jahresrückblick Optik & Photonik 2018.

Hochauflösende Mikroskope, 3D-Displays, winzige Laser­quellen und Fort­schritte in der Quanten­optik zählten im vergangenen Jahr zu den heraus­ragenden Ergebnissen auf dem weiten Feld der Photonik. Ganz im Zeichen der optischen Technologien stand auch der Nobel­preis für Physik. Eine Hälfte des Preises geht an Arthur Ashkin für die Entwicklung der optischen Pinzette. Die andere Hälfte teilen sich Gérard Mourou und Donna Strick­land für die Entwicklung einer Methode, um hoch­intensive, ultra­kurze Laser­pulse zu erzeugen. Auch den Photo­effekt, für dessen Erklärung Albert Einstein 1921 den Physik-Nobel­preis erhielt, konnten Physiker aus Deutsch­land und Öster­reich mit ausgeklügelten Experimenten so exakt analysieren wie nie zuvor. Erst­mals bestimmten sie die absolute Dauer von der Licht­aufnahme und dem sich dadurch lösenden Photo­elektron aus einem Fest­körper auf einige Atto­sekunden.

Abb.: Ein Laserpuls trifft die Wolfram-Oberfäche, auf der Iod-Atome...
Abb.: Ein Laserpuls trifft die Wolfram-Oberfäche, auf der Iod-Atome aufgebracht sind. Sowohl Wolfram- als auch Jod-Atome verlieren Elektronen, die dann gemessen werden. (Bild: TU Wien)

Besonders dynamisch zeigten sich 2018 die Entwicklungen auf dem Feld der Quanten­optik. An der Universität Stuttgart gelang die Konstruktion einer Rydberg-Einzel­photonen­quelle, die selbst bei Raum­temperatur noch funktionierte. Mit einem Quanten­punkt auf einem Halb­leiter­chip realisierten Physiker von der TU Berlin eine kompakte Einzel­photonen­quelle, die nicht größer als eine Schreib­tisch­schublade war und zukünftig in der abhör­sicheren Quanten­kommunikation verwendet werden könnte. Photonen für die zukünftige Verarbeitung von Quanten­informationen hatten auch Physiker der Abteilung Quanten­dynamik am Max-Planck-Institut für Quanten­optik im Fokus. Sie konnten mit einem atomaren Quanten­knoten die kontrollierte Wechsel­wirkung zwischen verschieden­farbigen Licht­strahlen auf dem Level einzelner Photonen nachweisen. Und für die abhör­sichere Übertragung von Daten entwickelten Physiker aus Dresden und Hannover eine heraus­ragend licht­starke Quelle für ver­schränkte Photonen in definierter Qualität. Als hilf­reich für die weitere Entwicklung der Quanten­optik könnte sich ebenfalls ein neuer Detektor – konstruiert von Physikern an der Physikalisch Technischen Bundes­anstalt PTB und der TU Berlin – erweisen, der die exakte Anzahl von Photonen in einem schwachen Licht­puls messen kann.

 

Auf dem Weg zu einem auf Photonen basierenden Quantencomputer ist es Forschern der Uni Stuttgart und des Karlsruher Institutes für Technologie gelungen, drei notwendige Komponenten – Einzel­photonen­quellen, Strahl­teiler und Einzel­photonen­detektoren – auf einem einzigen Chip zu integrieren. Für photonische Schalt­kreise könnte in Zukunft auch ein rotierendes Glas­kügelchen als effizientes Licht­ventil eine Rolle spielen. Die Grundlage für dieses neu­artige optische Bau­element legten israelische Forscher vom Technion in Haifa. Großes Potenzial für schnelle photonische Schalt­kreise bietet auch der aufkommende Bereich der „Valleytronic“. Deutsche und amerikanische Forscher zeigten, dass ein schwacher Licht­puls genügte, um Elektronen in hauch­dünnen Wolfram­selenid-Schichten zu zwei unter­schiedlichen, voneinander getrennten Energie­zuständen anzuregen.

Abb.: Das Lichtventil besteht aus einer rotierenden Glaskugel und einer extrem...
Abb.: Das Lichtventil besteht aus einer rotierenden Glaskugel und einer extrem dünnen Glasfaser, die im Nanometerabstand waagerecht an der Kugel vorbeiläuft. (Bild: N. Zohar)

Schneller zur Anwendung könnte dagegen ein neuartiges Multi­plexing-Verfahren gelangen, um den Daten­transfer durch Glas­fasern zu vergrößern. Zusätzlich zur Variation von Wellen­länge oder Polarisation bieten helikale Licht­wellen einen weiteren Freiheits­grad. Forscher der Jiao Tong University Shanghai in China präsentierten dazu einen photonischen Chip, der helikale Wellen aus Photonen mit wohl­definiertem Bahn­dreh­impulsen transportierte. Für optische Daten­netze mit kurzer Reich­weite entwickelten Wissen­schaftler vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI ein verteiltes Superkanal-Aggregations­schema. Mit diesen Super­kanälen für den Daten­transport erzielten die Forscher eine Rekord­netz­kapazität von 400 Gigabit pro Sekunde. Eben­falls rekord­verdächtig war eine optische Frei­strahl-Daten­übertragung, die am Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt durch­geführt wurde. Mit einer extrem hohen Daten­rate von 13,16 Tera­bits pro Sekunde können die Daten­verbindungen zwischen Satellit und Erd­station in eine neue Größen­ordnung vorstoßen.

Im vergangenen Jahr demonstrierten mehrere Arbeits­gruppen, dass die Entwicklung neu­artiger Laser noch lange nicht aus­gereizt ist. Für Halb­leiter­laser mit hohem Wirkungs­grad konzipierten zwei Forscher­teams vom Technion in Haifa ein topologisches Laser­system. Solche topologischen Laser sind prinzipiell stabiler gegenüber Stör­einflüssen und könnten mit Sensoren, Antennen oder anderen Komponenten zu integrierten Systemen verbunden werden. Für effizienten und vor allem extrem kleine Licht­quellen setzten Physiker der TU Berlin auf einen Nano­laser. Der Prototyp mit nur noch sehr geringen Verluste und verschwindend kleiner Laser­schwelle wies eine Breite von lediglich rund 200 Nanometer auf. Forscher in Singapur realisierten einen winzigen Laser­typ, dessen Wellen­länge sich durch die Maße von Gallium­arsenid-Nano­zylindern variieren ließ. Bestehend aus einem extrem flachen Material könnten solche Laser sogar durch­sichtig sein und elegant in optische Chips integriert werden. Deutlich größer und für die medizinische Bild­gebung geeignet war ein Faser­laser mit flüssigem Kern, entwickelt am Leibniz-Institut für Photonische Technologien Jena. Die stabile Super­kontinuum-Licht­quelle mit flexibel einstellbarer spektraler Band­breite basierte auf einer Füllung aus Kohlen­stoff­disulfid mit hoher optischer Di

Abb.: Wenn das topologische Gitter entlang der Kanten gepumpt wird, führt dies...
Abb.: Wenn das topologische Gitter entlang der Kanten gepumpt wird, führt dies zur Emission von Laserstrahlung an einem der beiden Ausgänge (li.) des Gitters. (Bild: M. A. Bandres et al.)

Im Alltag setzt sich dagegen die Leucht­diode als zentrale Licht­quelle immer stärker durch. An die Effizienz­grenzen von LED tastete sich ein inter­nationales Team aus Deutschland, Polen und China mit einem möglichst großen Indium­anteil in den verwendeten Halb­leitern vor. Leucht­dioden mit höherer räumlicher Auflösung realisierten Forscher vom Fraunhofer-Anwendungs­zentrum AWZ für Anorganische Leucht­stoffe in Soest mit filigranen Silizium­strukturen, gefüllt mit Leucht­stoffen. Neue Leucht­stoffe testeten auch Forscher von der University of Science and Technology of China in Hefei. Mit Kupfer-Iod-Cluster­verbindungen erzielten sie eine über­raschende farbliche Viel­falt, die bis in den ultra­violetten Spektral­bereich reichte. Die Stabilität von organischen Leucht­dioden (OLED), die neben einer Display­beleuchtung auch flächige Leuchten ermöglichen können, steigerten Wissen­schaftler der Universitat Autònoma de Barcelona und der Technischen Universität Dresden mit einer Emissions­schicht (TADF) aus Spezialglas. Und dank einer Entwicklung am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronen­strahl- und Plasma­technik FEP in Dresden könnten OLED-Displays ohne Farb­filter auskommen. Der Schlüssel dazu liegt in einem Elektronen­strahl-Verfahren, mit dem sich die sensiblen, organischen Materialien thermisch strukturieren lassen, ohne darunter­liegende Schichten zu schädigen.

 

Wie auch in den Vorjahren stand 2018 bei neuen mikroskopischen Verfahren die Steigerung der Auflösung und der Bild­qualität im Mittel­punkt. Quanten­punkte konnten als gleitende Nano­sonden die Vermessung optischer Nah­felder erleichtern, wie Physiker aus Würzburg und Dresden belegten. Dank der wenige Nano­meter kleinen fluoreszierenden Partikel die Methode zur optischen Über­prüfung von nano­strukturierten Ober­flächen geeignet sein. Schärfere Bilder aus hoch­auflösenden Licht­mikroskopen erreichten Forscher der Universität Würzburg mit verspiegelten Objekt­trägern. Mit dieser dSTORM-Methode ließe sich die Auflösung eines herkömmlichen Licht­mikroskops um den Faktor zehn steigern. Ein Team von der Universität Basel machte sogar mit einem neuen Nano­skop – basierend auf der STED-Technologie ( Stimulated Emission Depletion) – sogar Quanten­punkte aus Atomen mit nur zwei Energie­zuständen sichtbar. Bisher funktionierte die STED-Methode nur bei Molekülen, die mindestens vier verschiedene Energie­niveaus einnehmen können.

Abb.: Künstlerische Darstellung mehrerer Mikrotubuli, die durch das optische...
Abb.: Künstlerische Darstellung mehrerer Mikrotubuli, die durch das optische Nahfeld (blau) einer nanostrukturierten Goldoberfläche gleiten. Die an den Mikrotubuli befestigten Quantenpunkte (grün) reagieren auf das lokale Feld indem sie verstärkt fluoreszieren. (Bild: H. Groß)

Auch mit bildgebenden Verfahren – vorwiegend in der Medizin angewandt – konnten im vergangenen Jahr neue Grenzen überschritten werden. Forschern an der Universität Göttingen gelang es, mit einem Phasen­kontrast-Tomo­graphen die detaillierte Anordnung von Millionen Nerven­zellen sicht­bar zu machen. Nach einer detail­reichen Karte des Klein­hirns wollen sie die Methode nun auch bei anderen Hirn­regionen anwenden. Ebenfalls in Göttingen kombinierten Wissenschaftler ein Röntgen­mikroskop mit einem Licht­mikroskop nach dem STED-Prinzip . Das kontrollierte Hell- und Dunkel­schalten von Leucht­molekülen erlaubte tiefere Einblicke in komplexe Prozesse von Zellen. Eine Orts­auflösung von unter zehn Nano­metern mit der super­auflösenden Fluoreszenz­mikroskopie ermöglichten Forscher der Universität München mit kleineren Markierungs­sonden (). Die aus DNA bestehende Moleküle konnten aufgrund ihrer einzig­artigen 3D-Struktur spezifisch an Proteine andocken. Und die bisher schnellsten 3D-Tomographien gelangen an der Berliner Röntgen­quelle BESSY II (). Mit einem eigens konzipierten rotierenden Dreh­tisch konnten die Forscher alle vierzig Milli­sekunden eine komplette 3D-Tomo­graphie von Metall­schäumen mit einer Orts­auflösung von 2,5 Mikrometern erstellen.

Jan Oliver Löfken

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