Nanolaser, Quantenoptik und Mikroskope

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.

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.

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

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.

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

Weitere Infos

• J. O. Löfken: Winzige Mikroskope, scharfe Laserstrahlen, rasante Lichtschalter – Jahresrückblick Optik und Photonik 2017, pro-physik.de, 5. Januar 2018
• J. O. Löfken: Scharfe Fluoreszenz, Zeptosekunden-Pulse und die kleinste Lichtfalle der Welt – Jahresrückblick Optik, Photonik, Laser 2016, pro-physik.de, 3. Januar 2017