Preisträger

Licht auf den Punkt gebracht

Das Fokussieren von Licht auf atomare Dimensionen eröffnet neue Perspektiven für seine Manipulation.

  • Gerd Leuchs
  • 09 / 2018 Seite: 61

Im weiten Feld der optischen Wissenschaft ist unsere Fähigkeit, Licht in all seinen Parametern zu manipu­lieren, von zentraler Bedeutung. Die Fokussierung von Licht auf einen möglichst kleinen Punkt spielt dabei eine besondere Rolle und ist verknüpft mit der Frage nach der räumlichen Auflösung, die ein Mikroskop erreichen kann. Die Mikroskopie hat eine revolutionäre Renaissance erlebt durch strukturierte Beleuchtung, unterschiedliche nichtlineare Prozesse oder eine Kombination davon [1]. Dafür erhielten Eric Betzig, Stefan W. Hell und William E. Moerner 2014 den Chemie-Nobelpreis. Im Folgenden wird es um den Teilaspekt gehen, der die Fokussierung selbst betrifft.

Eine Reihe technischer Innovationen geht darauf zurück, dass Wissenschaftler durch sorgfältiges Beobachten herausfanden, wie die Natur ein bestimmtes Problem löst. So kann man auch vorgehen, wenn man die Fokussierung optimieren will. Natürlich wissen wir, dass sich ein Lichtstrahl mit einer Linse fokussieren lässt. Aber gehen wir noch einen Schritt zurück und schauen, wie in der Natur Licht von einem einzelnen Atom absorbiert wird – dem kleinsten Objekt, das eine Resonanz bei der Frequenz des Lichts aufweist. Schon früh fiel auf, dass der Absorptionsquerschnitt σ eines Atoms proportional zum Quadrat der Wellenlänge des Lichts ist, σ =3λ2/(4π), und nichts mit den viele Größenordnungen kleineren Abmessungen des Atoms zu tun hat. Wie ist das zu verstehen? Licht ins Dunkel brachten Harry Paul und Randolf Fischer, die den Energiefluss in ein Atom hinein berechneten, das mit einer ebenen Lichtwelle beleuchtet wird, deren Frequenz in Resonanz mit dem Atom ist [2]. Offensichtlich „saugt“ das Atom die Lichtenergie an und verformt dabei das Feld so, dass es in der Nähe des Atoms dem einer einlaufenden Dipolwelle ähnelt (Abb. 1). Die Botschaft ist, dass die Absorptionswahrscheinlichkeit mit einer einlaufenden Dipolwelle am höchsten ist. Dazu passt, dass die Absorption eines Photons die Zeitumkehrung der spontanen Emission ist, bei der eben eine elektrische Dipolwelle emittiert wird [3]. Wir sehen also, dass ein Atom ganz ohne unser Zutun selber schon ein wenig Fokussierarbeit übernimmt. (...)

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