Forschung

Laser, Lichtchips und Sensoren

07.01.2021 - Jahresrückblick Optik & Photonik 2020.

Auch 2020 zeigten optische und photonische Techno­logien ihre große Bedeutung für Forschung und Industrie. Dazu zählen neue Laser im Nanomaßstab, genauere Spektroskopie­methoden und viele Fortschritte auf dem Feld der Quanten­photonik. Das galt insbesondere für die Entwicklung von photonischen Prozessen für eine schnellere Daten­verarbeitung. Doch auch als Werkzeug stachen optische Methoden im vergangenen Jahr heraus wie der renommierte Deutsche Zukunftspreis für die Entwicklung der EUV-Lithographie für extrem kleine Schaltkreis­strukturen belegte.

Auf dem Feld der Licht­mikroskopie erreichten Wissenschaftlern von der Univer­sität Rostock und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching eine Auflösung von einigen zehn Pikometern. Erste Bilder zeigten, wie sich die Elektronen­­wolke im Kristall­­gitter von Festkörpern auf die Atome verteilte. Die Experimente ebnen den Weg zur Entwicklung einer neuen Klasse von laser­basierten Mikro­skopen. Eine Methode, unzählige neuartige Laserstrahlen auf der Mikrometer­­skala zu formen, konzipierten Forscher von den Univer­sitäten in Münster, Birmingham und Marseille. Die dadurch erzeugten nicht­beugenden Lichtfelder könnten für eine hoch­auflösende Mikroskopie und nanoskalige Material­­bearbeitung genutzt werden. Berliner Physikern gelang der Bau eines Infrarot-Mikroskops mit Quantenlicht. Ihre Methode nutzt das gezielte Verschränken von Photonen, um bislang unsichtbare Bio-Merkmale bei Gewebeproben sichtbar zu machen.

Quantenkaskadenlaser wird mobil

Verschränkung von Photonen im Mikrowellen­bereich legte auch die Grundlage für einen neuartigen Quantenradar. Ein internationales Forscherteam fertigte einen Prototyp, der Objekte in verrauschten thermischen Umgebungen erkennen konnte und damit klassische Radar­systeme überflügelte. Wissen­schaftlern der Berliner Humboldt-Universität und der Technischen Universität Wien ist 2020 erstmals gelungen, Fotos von einzelnen Atomen zu schießen, die weniger als einen Tausendstel Milli­meter über einer licht­­leitenden Glasfaser schweben. Diese Methode erlaubt, im Labor Effekte wie die Absorption und Aussendung von Licht viel kontrollierter als bisher zu untersuchen. Weiter in die tägliche Praxis wies eine Spektroskopie-Methode mit einem mobilen Quantenkaskaden-Laser. Im Rahmen des EU-Projekts Projektes MEMO2 konnten damit über eine Drohne Methan­emissionen über Gas- und Ölfelder genauer aufgespürt werden.

Im Terahertz-Bereich standen 2020 viele neue Konzepte für entsprechende Licht­quellen im Vordergrund. Einen besonders stabilen Quanten­kaskadenlaser von Forschern der Nanyang Technological University in Singapur nutzte topologisch geschützte Randzustände zur Erzeugung von Terahertzstrahlen. Terahertz-Pulse mit vielen verschiedenen Frequenzen zugleich lieferte ein mit Gold gespicktes Germaniumbauteil eines Teams des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR, der TU Dresden und der Universität Konstanz. Mit ausgereiften litho­grafischen Methoden gefertigt verspricht diese Quelle einen breitgefächerten Einsatz in Forschung und Technik. Ein deutsch-spanisches Forschungsteam entdeckte auch ein neues Material­system, mit dem sich Terahertz-Pulse deutlich effektiver erzeugen lassen als bisher. Es basiert auf Graphen, das mit einer metallischen Lamellen­struktur beschichtet ist.

Nanolaser aus Gold und Silizium

Für andere Spektralbereiche wies der Trend 2020 zu immer kleineren Lasern. Mit Licht emit­tierenden Silizium-Ger­manium-Legierungen öffneten Physiker aus München, Jena, Linz und Eindhoven einen Weg zum Silizium-Laser. Dafür fertigten sie mit einem ausgeklügelten Verfahren winzige Nanodrähte, aufgebaut aus einem hexagonalen Kristallgitter, die in Zukunft in Photonik-Chips genutzt werden könnten. Das gleiche Ziel verfolgten Wissenschaftler vom Forschungs­zentrum Jülich mit einem Halbleiterlaser aus Germanium und Zinn. Deren Effizienz zeigte sich bereits mit herkömmlichen Galliumarsenid-Halbleiterlasern vergleichbar. Einen neuartigen Nanolaser aus Gold und Zinkoxid entstand an der Universität Oldenburg. Schwamm­artige Teilchen aus Gold überzogen die Forscher dazu mit einer dünnen Schicht aus dem Halbleiter Zinkoxid. Bestrahlte man diese Strukturen mit dem Licht eines roten Lasers, geben sie kurzwelligeres, blaues Laserlicht ab. 

Parallel zu diesen Ansätzen für zukünftige Photonik-Chips reiften 2020 auch quanten­photonische Konzepte für die Daten­verarbeitung heran. Ein Forscherteam aus Großbritannien, Deutschland und Japan entwarf eine neue Methode zur Erzeugung und zum Nachweis verschränkter Photonen bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern. Diese quanten­mechanisch gekoppelten Photonenpaare wären in der Praxis eher anwendbar, das sie deutlich weniger durch Sonnenstrahlung beeinflusst werden als Photonen im Nahinfrarot-Bereich von 700 bis 1550 Nanometern. Einen mit Licht schaltbaren Feldeffekt-Transistor auf Basis ultradünner Materialien entstand an der Universität Jena. Aufgebaut war der winzige Transistor aus einer Lage Graphen und einem mit Azobenzol funk­tionalisierten Nanoblatt. Schnelle, optische Schaltprozesse präsentierten auch Forscher der Uni Paderborn und der TU Dortmund. Dazu mani­pulierten sie Wirbel­zustände in einer Quanten­flüssigkeit mithilfe ultrakurzer Laserpulse.

Quantenspiegel aus Metamaterialien

Die komplexe Wechsel­wirkung von Licht und Materie offenbart sich meist auf der Nanoebene. So konnten Forscher am Max-Planck-Institut für Quanten­optik erstmals zeigen, dass selbst eine einfach strukturierte Schicht aus nur wenigen hundert Atomen einen optischen Spiegel bilden kann. Aufgebaut aus einem neuartigen Metamaterial handelte es wohl um den leichtesten Spiegel überhaupt. Ausgeklügelt erwies sich eine besondere Atom-Licht-Schnittstelle, um leucht­starke, faser­integrierte Einzel­photonen­­quellen zu realisieren. Damit entstand eine Art Drehkreuz für Photonen, das nur ein Photon zur Zeit passieren ließ. Die Funktionsweise von Nano­materialien bei Licht­einstrahlung konnten Physiker der Univer­sitäten Konstanz, München und Regensburg direkt sichtbar machen. Sie zeigten experimentell, dass ultrakurze Elektronen­­pulse durch die Interaktion mit Lichtwellen in nano­­photonischen Materialien eine quanten­­mechanische Phasen­verschiebung erfahren. 

Immer stärker setzen sich Leuchtdioden als Licht­quellen für den Alltag durch. Doch auch auf diesem scheinbar ausgereizten Forschungs­feld gibt es immer noch verblüffende Resultate. Eine neue Analysemethode Dortmunder Physiker könnte auf mögliche Störeffekte in Leuchtdioden hinweisen. Sie konzentrierten sich dabei nicht auf die licht­­emittierenden hellen Exzitonen, sondern auf dunkle Exzitonen, die nicht in Licht zerfallen können. Als Leuchtmittel für große Flächen organischer Leuchtdioden taugt eine günstige, kupfer­haltige Verbindung. Die neue Substanz für hohe Lichtausbeuten wurde am Paul Scherrer Institut entwickelt. Und Forscher der TU Graz entwickelten gemeinsam mit Kollegen aus Spanien und Italien umwelt­freund­liche und günstige Leucht­dioden auf der Basis fluores­­zierender Protein­­strukturen. Ziel ist es, diese Proteine durch den Einsatz von Bakterien quasi zu züchten. 

Sensoren für Wirbellicht

Für den Nachweis von Photonen entwickelten Wissen­­schaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie druck­bare Licht­­sensoren, die Farben unterscheiden können. Diese Sensoren können in großen Stück­zahlen in jedem Design auf flexiblen, leichten Materialien herge­stellt werden und sind besonders für mobile Geräte geeignet. Für die Datenverarbeitung mit Photonen haben zwei internationale Teams unter Leitung von Wissen­­schaftlern der University of Pennsylvania sowohl einen OAM-Mikrolaser (orbital angular momentum) als auch einen OAM-Photo­detektor vorgestellt, die neue Optionen für photonische Schalt­kreise eröffnen. Größere Verbreitung könnten in Zukunft Quanten­sensoren finden, die mit Hilfe von Laser­licht hoch­effi­ziente Messungen ermöglichen. Die Trumpf-Tochter­­gesell­schaft Q.ANT und der Sensorik-Spezialist Sick entwickelten dazu einen ersten industriell gefertigten Quanten­sensor

Weiter in die Zukunft weisen dagegen einige grund­legenden Resultate auf dem Feld der Photonik. So haben Physiker vom Max-Born-Institut in Berlin und der Universität Rostock einen bislang unbekannten Mechanismus für optische Nicht­­linearität aufgedeckt. Der Mechanismus entsteht durch das licht­induzierte Tunneln von Elektronen im Inneren von nicht­­leitenden Stoffen. Ultra­schnelle Wechsel der Licht­­helizität ist vor allem für Unter­­suchungen von Prozessen in magnetischen Materialien interessant. Die Grundlage dazu wurde am Speicherring Bessy II gelegt: Die Berliner Physiker schalteten die Helizität von zirkular polari­sierter Synchrotron­­strahlung bis zu eine Million Mal schneller als bisher. Und schließlich hat ein inter­nationales Team um Forscher der Universität Regensburg eine Methode entwickelt, um die Dynamik von Licht auf atomaren Skalen mit einer zeit­lichen Auflösung zu erfassen, die schneller als eine einzige Licht­­schwingung ist. Den Schlüssel zu diesem Durch­bruch bildete ein einziges Detektor­­molekül, das Verände­rungen in den lokalen elektro­­magne­tischen Feldern nachwies.

Jan Oliver Löfken

 

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