Überblick

Ultraschnelle Nanooptik

Laserspektroskopie am Limit von Raum und Zeit

  • Tobias Brixner, Martin Aeschlimann und Walter Pfeiffer
  • 03 / 2014 Seite: 35

Immer kleiner, immer schneller – dieses Credo gilt nicht nur in der Technik, sondern auch in der Grundlagenforschung. Doch welche Prozesse spielen sich eigentlich ab, wenn Licht mit Materie auf kleinen Längenskalen wechselwirkt? Um die Art und Dauer raum-zeitlicher Korrelationen bestimmen zu können oder ultraschnelle Vorgänge in nanostrukturierten und heterogenen Materialien zu verfolgen, sind neue spektroskopische Techniken notwendig, die optimale Zeit- und Ortsauflösung kombinieren.

Wenn sich dynamische Prozesse auf kleinstem Raum und extrem kurzen Zeitskalen abspielen, wird es für die Forschung oft erst richtig spannend. Zum Beispiel beim effizienten Energietransport sowohl in der Photosynthese als auch in der organischen Elektronik. Hier möchte man etwa wissen, über welche Zeit- und Längenskalen dieser Transport kohärent oder inkohärent verläuft. Sind delokalisierte oder lokalisierte Anregungen beteiligt? Welche Charakteristika zeigen hybride Systeme, die plasmonische Nanostrukturen und organische Materialien verknüpfen? Schließlich lockt die Aussicht, sogar biologische Systeme zu untersuchen, indem etwa ein natürlicher Lichtsammelkomplex an einer Stelle angeregt und an einer anderen Stelle abgefragt wird. Doch herkömmliche Methoden kommen bei solchen Fragen an ihre Grenzen oder versagen ganz, wenn es darum geht, bestmögliche zeitliche Auflösung („ultraschnell“ = von Femtosekunden, 10–15 s, bis Attosekunden, 10–18 s) und räumliche Auflösung („Nanooptik“ = wenige Nanometer) zu bieten. Das ist das Ziel der „ultraschnellen Nanooptik“, nicht zuletzt weil diese Zeit- und Längenskalen interessant für nanostrukturierte Materialsysteme sind. Dort spielen sich besonders relevante ultraschnelle dynamische Prozesse ab, was vielfältige Anwendungen verspricht, wie nanophotonische Bauelemente oder nanostrukturierte Solarzellen.

Für spektroskopische Techniken gelten fundamentalen Auflösungsgrenzen. Laserpulse lassen sich zeitlich nicht kürzer machen als durch das „Bandbreitelimit“ vorgegeben ist: Je breiter das Spektrum, desto kürzer der Puls. Ganz analog lässt sich der Brennpunkt von Laserstrahlen nicht enger bündeln als das „Beugungs­limit“. Trotz dieser Grenze hat sich in den letzten Jahren die „Super-Resolution“-Mikroskopie etabliert. Dabei ist es möglich, die Position der einzelnen Emitter einer Probe mit einer Genauigkeit weit unterhalb des Beugungslimits zu bestimmen. Dies kommt erfolgreich in der optischen Bildgebung zum Einsatz, insbesondere von biologischen Systemen. ...

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