Kompakte Röntgenquellen, mehr Daten über Glasfasern und geschärfter Blick in den Nanokosmos

  • 30. December 2015

Jahresrückblick Optik-Photonik-Laser: Zahl­rei­che An­wen­dungs­fel­der könn­ten bald von den jüngs­ten Fort­schrit­ten pro­fi­tie­ren.

Mit 2015 geht das internationale Jahr des Lichts zu Ende. Viel Auf­merk­sam­keit – vom Fach­publi­kum bis zum Laien – gewan­nen die licht­basier­ten Schlüssel­techno­logien, die noch viele Fort­schritte bei der schnellen Daten­leitung, der Material­bearbeitung und medizi­nischen Diagnostik bis hin zur Mikro­skopie, neuen Licht­quellen und nicht zuletzt in der Nano­photonik und bei optischen Meta­materi­alien erwarten lassen.

XFEL

Abb.: Blick in den Injektorbereich des European XFEL. Die gelbe Röhre ist das erste supra­leitende Beschleu­niger­modul (Foto: D. Nölle, DESY).

Der zwei Kilometer lange Röntgenlaser European XFEL in Hamburg hat erfolgreich die erste Hürde zum geplanten Betrieb im Jahr 2017 genommen. Im Injektor des insgesamt zwei Kilometer langen Linear­beschleu­nigers sind die ersten Elektronen los geschickt worden. Mit der Fertig­stellung des XFEL wird eine einzig­artige Licht­quelle zur Verfügung stehen, die mit extrem kurzen und intensiven Röntgenpulsen einen tieferen Blick in den Nanokosmos erlauben wird. Weit weniger lichtstark, dafür mindestens ebenso pfiffig ist eine Röntgenquelle, die Wissen­schaftler vom JILA in Boulder entwickelt haben. Ihnen gelang es, aus UV-Laser­strahlung von 270 nm Wellen­länge weiche Röntgen­strahlung mit einer Photonen­energie von bis zu 280 eV zu erzeugen. Dazu schickten sie die gepulste UV-Strahlung eines Titan:<Saphir-Lasers durch einen hohlen, mit Argongas gefüllten Wellen­leiter. Mit hoher Kohärenz und einem Photonenfluss von mehr als 1011 pro Sekunde könnte diese neuartige Röntgen­quellen für viele Anwendungen geeignet und vor allem erschwinglich sein.

Einen weiteren Röntgenlaser in Labor­größe realisierten Adrien Depresseux und Kollegen vom Laboratoire d'Optique Appliquée an der Université Paris-Saclay. Mit den extrem kurzen und intensiven Pulsen eines Ti-Saphir-Lasers (813 nm Wellen­länge) regten sie ein Plasma aus Krypton-Ionen an. Über eine Serie von Anregungen konnten schließlich Laser­pulse im weichen Röntgenbereich bei 32,8 nm Wellenlänge mit einer extrem kurzen Pulsdauer von nur 450 fs erzeugt werden.

Für den sichtbaren Bereich stach 2015 ein Halb­leiter­laser heraus, der gleich­zeitig rotes, grünes und blaues Licht abstrahlte. Entwickelt an der Arizona State University in Tempe, konnten mehr­schichtige Nano­strukturen aus CdSSe-Legierungen mit unter­schied­lichem Schwefel­gehalt und teils ergänzt mit Zink­zusätzen – optisch gepumpt – rotes, grünes und blaues Licht zeitgleich emittieren. Additiv zu weißem Licht gemischt ergab sich so ein Laser­prinzip, das in Zukunft für opto-elektro­nische Schalt­kreise genutzt werden oder Displays mit extrem großen Kontrast und einer bisher uner­reichte hohen Farb­sättigung ermög­lichen könnte.

Abb.: Über eine Lichtfaser wird angeregendes Laserlicht in die Fettzellen einer Schweinehaut geleitet und emittiertes Laserlicht wieder aufgefangen. (Bild: M. Humar, S. H. Yun)

Abb.: Über eine Lichtfaser wird anregendes Laser­licht in die Fett­zellen einer Schweine­haut geleitet und emit­tiertes Laser­licht wieder aufgefangen. (Bild: M. Humar, S. H. Yun)

Exotisch, aber überraschend effizient, erwiesen sich neuartige Laser, die auf lebenden Zellen aufbauen. Gleich zwei Forschergruppen in Schottland und den USA konnten Fett- und Tumor­zellen mit winzigen Polymer­kügelchen und Fluoreszenz­farbstoff anreichern, um – optisch angeregt – kohärentes, rotes Laserlicht zu emittieren. Anwendungen könnten im Bereich der medizi­nischen Diagnostik und bei der Analyse von Zellen liegen.

Neuartige Weißlichtquellen und leuchtende Faser

Eine bisher einzigartige Weißlichtquelle auf der Basis einer photonischen Kristall­faser erschufen Physiker am MPI für die Physik des Lichts. Das nano­struktu­rierte Material aus fünf verschiedenen Fluorid­salzen emittierte über ein ungewöhnlich breites Spektrum vom mittleren Infrarot- bis weit in den UV-Bereich. Anwendungen erwarten die Forscher für die Unter­suchung biologischer Prozesse und sogar bei der Steuerung von photo­chemischen Reaktionen.

Displays und leuchtende Textilien könnten dagegen von einer neuen Generation robuster, elektrochemisch aktiver Fasern profitieren. An der Fudan Universität in Shanghai entstanden leuchtende elektrochemische Zellen (LECs), die nach dem gleichen Prinzip wie organische Leuchtdioden Licht emittierten. Bestehend aus elektrolumineszenten Polymeren und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff waren die Fasern erstmals stabil genug, um sie in Textilien einzuweben.

Für den wachsenden Markt weißer Leuchtdioden könnte eine Entwicklung der Rutgers University in Piscataway Bedeutung erlangen. Die Aufgabe der licht­aktiven Substanzen aus kostspieligen und meist aus China importierten Metallen Yttrium und Cer über­nahmen dünne Schichten aus Cadmiumsulfid-Butyldiamin Cd2S2(ba), die die Forscher teilweise mit zusätz­lichen Mangan­atomen dotierten. Kombiniert mit einer Blaulicht-LED entstand eine Weißlicht-LED ganz ohne Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden. Im Bereich der Projektions­technik stach 2015 ein 3D-System der TU Wien heraus. Dank sogenannter Laser-Trixel ließen sich helle 3D-Displays fertigen, die man von verschie­denen Seiten betrachten konnte. Eine Markt­einfüh­rung des sehr licht­starken Technik könnte bereits 2016 erfolgen.

Photodiode

Abb.: Mit dieser Photodiode auf Siliziumbasis können größere Wellenlängen von bis zu 2000 Nanometern für den Datentransport durch Glasfaserkabel genutzt werden. (Bild: J. J. Ackert et al. / NPG)

Einen raschen Weg zum Praxiseinsatz liegt auch im Interesse der Licht­forscher für die optische Datenübertragung. Eine kanadische Arbeits­gruppe an der McMaster University in Hamilton wollte das Spektrum der daten­tragenden Infrarot­wellen in Glasfasernetzen deutlich erweitern. Dazu fertigten sie eine Photodiode auf Siliziumbasis mit einer 130 Nanometer dünnen Struktur, die sie mit einem Wellenleiter koppelten. Das neue Modul bildet nach bereits verfüg­baren Licht­quellen, Wellenleitern, Splittern und Multiplex-Einheiten den noch fehlenden Baustein, um Infrarot­licht mit 2000 nm Wellenlänge für einen digitalen Daten­transport nutzen zu können. Eine Erweiterung auf 2500 Nanometer halten die Forscher für möglich und würde die bisherige Grenze bei 1550 nm weit überschreiten.

Ebenfalls für den optischen Daten­transfer geeignet könnten Frequenzkämme datentragende Lichtpulse so beein­flussen, um nicht­lineare Effekte zu vermeiden und die Qualität der Licht­pulse zu erhöhen. Eine Arbeitsgruppe an der University of California in San Diego schaffte es, infra­rote Licht­pulse, die zuvor über einen Frequenz­kamm aufeinander abgestimmt wurden, ohne Repeater bis zu einem 1020 Kilometer entfernten Zielort mit noch nutzbarer Signalqualität zu schicken. In einem Vergleichs­experiment mit herkömm­lichen Licht­pulsen war dagegen nach etwa 85 Kilo­meter Strecke wie erwartet eine Auf­frischung der Signale nötig.

Mitochondrien

Abb.: Entwicklung einzelner Mitochondrien, mit Teilungs- und Verschmelzungsprozessen, bei 23 Grad Celsius über einen Zeitraum von knapp einer halben Stunde beobachtet. (Bild: D. Li et al. / AAAS)

Geschärfter Blick in die Nanowelt

Vor allem Biologen, Mediziner und Material­forscher werden bald von den jüngsten Ergeb­nissen in der Mikro­skopie-Technik profi­tieren können. Einen schärferen Blick direkt unter die Haut ermög­lichten Forscher der Universität von Korea. Ihre neue Methode umging das Problem der störenden Licht­streuung im organischen Gewebe. Dank gezielt ausgewählter Licht­strahlen, die nur eine einzige Streuung erfahren haben, konnten sie Objekte bis in einer Tiefe von mehr als der zehnfachen freien Weglänge der Photonen und dennoch nahe an der theore­tischen Auflösungs­grenze sichtbar machen. In noch kleinere biologische Strukturen schauten Forscher am Institut de Recherche en Technologie et Science pour le Vivant in Grenoble. Mit einem speziellen Fluoreszenz-Mikroskop konnten sie erstmals die Selbst­heilungs­mechanismen des Zell­skeletts mit seinen Mikro­tubuli sichtbar machen.

Mit der strukturierten Illuminationsmikroskopie, kurz SIM genannt, erweiterten US-Forscher die bereits enormen Möglichkeiten der Nobelpreis gekrönten superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie. Mit einer Auflösung von bis zu 45 Nanometern gewann das Team um Eric Betzig am Howard Hughes Medical Institute genaue und vor allem Proben schonende Einblicke in Zellprozesse, von der Entwicklung von Mitochondrien über den Umbau des Zytoskeletts bis hin zur Dynamik von Caveolen, kleinen Einbuchtungen an der Oberfläche der Zellmembran. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf gelang dagegen die Kombination der Nahfeld-Mikroskopie mit der Ultrakurzzeit-Spektroskopie. Sie entwickelten ein Nanoskop, das die SNOM-Technologie (Scanning Near-field Optical Microscopy) über ein  Demodu­lations­verfahren mit den Vorteilen extrem kurzer Lichtpulse vereinte. Über einen weiten Frequenz­bereich (UV bis Terahertz) konnten Zell­prozesse zugleich mit hoher räum­licher und zeit­licher Auflösung verfolgt werden.

Mehr im Bereich der Grundlagen­forschung liegen die Fort­schritte bei den Meta­materi­alien, die die Ausbreitung von Licht­wellen manipulieren können. So wurde 2015 an der University of California in Berkeley ein nur 80 nm dünner Tarnmantel konstruiert, der sich flexibel an eine beliebig geformte Unterlage anschmiegte. Kombiniert aus einer dünnen, di­elektri­schen Schicht und einer Lage aus Nano­antennen aus Gold ließ sich ein einfallendes Licht so reflektieren, dass eine gewölbte Oberfläche völlig eben erschien. Einer perfekten Linse aus Meta­materi­alien kamen Physiker von der Harvard University in Cambridge einen Schritt näher. Sie konstruierten aus V-förmige Nano­struk­turen aus Gold eine Meta­fläche aus di­elektri­schen Resona­toren, die Licht verschie­dener Wellenlängen (1300, 1550 und 1800 nm) um jeweils den gleichen Winkel ablenkte. Ab­bildungs­fehler über die chroma­tische Aberration ließen sich kompensieren.

Um Metamaterialien flexibler zu gestalten und einfacher herzustellen, wählte eine britische Forschergruppe der University of Southampton mit Phasen­wechsel­material eine ungewöhn­liche Grundlage. Strukturen aus einer Chalcogenid-Verbindung aus Germanium, Antimon und Tellur (GST) ließen sich mit kurzen Femto­sekunden-Pulsen bei sehr hoher räumlicher Auflösung kontrolliert zwischen amorpher und kristalliner Phase mit unterschiedlichen di­elektri­schen Eigen­schaften und Brechungs­indizes schalten. Dieser Ansatz verspricht sogar einen neuen Weg, um per Laser variierbare Fresnel-Linsen und Holo­gramme günstig zu fertigen. Anwendungen für photonische Schaltkreise schwebte US-Physikern der Harvard University vor. Aus nano­struktu­rierten Silber­schichten mit negativem Brechungs­index bauten sie hyper­bolische Meta­flächen mit extrem geringen Strahlungs­verlusten, die sich dank den platz­sparenden Aufbaus in Zukunft in photo­nische Chips integrieren lassen sollen.

Die unterschiedlich großen rechteckigen Nanoantennen des Tarnmantels reflektieren das einfallende Licht jeweils mit einer solchen Intensität und Phase, als käme es von einer ebenen Oberfläche. (X. Ni et al., AAAS)

Abb.: Die unterschiedlich großen recht­eckigen Nano­antennen des Tarn­mantels reflek­tieren das einfallende Licht jeweils mit einer solchen Intensität und Phase, als käme es von einer ebenen Ober­fläche. (X. Ni et al., AAAS)

Einige Entdeckungen eröffnen sogar weitere Horizonte für mögliche Anwen­dungen. So gelang es am Institute for Molecular Science in Aichi in Japan, einen elektrisch nicht­leitenden organi­schen Kristall bei tiefen Tempera­turen supraleitend zu machen, indem er mit UV-Licht bestrahlt wurde. Der dünne Einkristall aus dem organi­schen Materials κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br unter UV-Licht bei 7,3 Kelvin in den supra­leitenden Zustand. In Kombination mit schwingenden Nano­hebeln entwarfen französische Forscher an der Université Paris Diderot einen neu­artigen Sensor für Viskosi­täten. Kristal­line Nano­scheiben aus Gallium­arsenid und Aluminium­gallium­arsenid wirkten als Resonatoren, die je nach Viskosität einer umgebenden Flüssigkeit ihr Trans­missions­verhalten im Infrarot­bereich veränderten. Und schließlich ließen Physiker der Uni München winzige, halbseitig mit fünf Nano­meter Gold beschichtete Nano­kügelchen mit einem Laser­strahl kontrolliert fest. Mit dieser Licht­pinzette könnte nach Meinung der Forscher sogar eine neuartige Waage für Nano­partikel entwickelt werden.

Das Jahr des Lichts 2015 brachte so einige vorsehbare Verbesserungen optischer Anwendungen von der Daten­leitung, über Laser­verfahren bis zur Mikro­skopie. Spannender für zukünftige Entwick­lungen waren jedoch die eher über­raschenden Phänomene bei der Wechsel­wirkung zwischen Licht und Materie.

Jan Oliver Löfken

OD

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