Die Wechselwirkung von Licht mit Materie auf der Nanoskala ist für unsere Wahrnehmung entscheidend und prägt zahlreiche allgegenwärtige Effekte, etwa Leuchtdioden in Displays, Laser mit ihren Anwendungen in der Metrologie, Medizin oder optischen Abstandsbestimmung (LIDAR) oder Quanteninformation.

Noch unmittelbarer betrifft uns die optische Biosensorik, die sich mit der Wechselwirkung von Licht mit biologischen Molekülen beschäftigt, speziell in der medizinischen Diagnostik. Optische Biosensoren vereinen mehrere Vorteile [1]: Sie sind inhärent nichtinvasiv, können also Informationen über die innere Zusammensetzung biologischen Gewebes ermitteln, ohne in dieses eindringen zu müssen oder sogar damit in Kontakt zu kommen. Oftmals sind sie empfindlicher als elektrochemische oder mechanische Sensoren. Bedingt ist dies durch extrem genaue spektroskopische Messtechniken, um Lichtintensitäten und Wellenlängen zu bestimmen.

Nichtinvasive Messungen mit optischen Sensoren benötigen oft nur kurze Messdauern und haben einen hohen Probendurchsatz. Die gleichzeitige Messung verschiedener Wellenlängen bzw. Sensorelemente (Multiplexing) ermöglicht es, viele Proben parallel zu vermessen und damit komplexe bio­chemische Eigenschaften zu entschlüsseln. (...)

Elektronen besitzen neben ihrer Ladung ein intrinsisches magnetisches Moment, das 1922 im Stern-Gerlach-Experiment nachgewiesen wurde. Dieses lässt sich auf eine quantenmechanische Eigenschaft des Elektrons zurückführen: Den Spin, der formal einem Eigen­drehimpuls entspricht. Er ist in zwei Werte sz = ± ħ/2 quantisiert. Der Spinvektor kann in alle drei Raumrichtungen zeigen; seine Projektion auf eine beliebig gewählte Quantisierungsachse nimmt jedoch immer den positiven (spin up, parallel) oder den negativen Wert (spin down, antiparallel) an. 1928 zeigte Paul Dirac, dass ein solcher Freiheitsgrad direkt aus der relativistischen Beschreibung der Elektronenbewegung im Atom folgt. Der Spin von Elektronen koppelt mit dem Bahndrehimpuls im Atom oder Molekül; die Kopplung wächst sehr stark mit der Kernladungszahl. 

Effekte, bei denen die Ausrichtung des Spins eine Rolle spielt, sind also eher nicht bei organischen Molekülen zu erwarten, die hauptsächlich aus leichten Atomen wie Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Dennoch weisen in jüngster Zeit viele Experimente an Filmen helikaler organischer Moleküle auf eine sehr hohe Spinpolarisation der durch sie transmittierten Elektronen hin. In Monolagen solcher Moleküle treten bei Raumtemperatur longitudinale Spinpolarisationen von 60 bis 80 Prozent auf. Was führt zu dieser überraschenden Beobachtung? 

Chirale Moleküle und Systeme gibt es bei identischem Aufbau in zwei Klassen, die durch Spiegelung nicht ineinander überführbar sind, den Enantiomeren (Infokas­ten). Sie machen einen großen Teil unserer natürlichen Umgebung aus. Alle biologischen Systeme auf der Erde nutzen nur genau eine Enantiomerenform der relevanten Moleküle, die meistens in Form von α-Helizes vorliegen. Bekannte Beispiele sind die DNA, Proteine, Peptide, Aminosäuren und Zucker. An Zuckerlösungen lässt sich in einem einfachen Experiment die Wirkung chiraler Moleküle und Strukturen auf linear polarisiertes Licht beobachten, dessen Polarisationsrichtung sich beim Durchgang dreht. (...)