11.03.2010

Die kleinste Lasershow der Welt


Lasershow im Nanokosmos: Ein geformter Laserpuls trifft von rechts unten auf eine sonnenförmige Nanostruktur. Er regt sie in einer Weise an, dass sie das aufgenommene Licht zeitlich und räumlich versetzt wieder abgibt – wie bei einer Lasershow. Bild: Walter Pfeiffer, Universität Bielefeld

Lasershow im Nanokosmos: Ein geformter Laserpuls trifft von rechts unten auf eine sonnenförmige Nanostruktur. Er regt sie in einer Weise an, dass sie das aufgenommene Licht zeitlich und räumlich versetzt wieder abgibt – wie bei einer Lasershow. Bild: Walter Pfeiffer, Universität Bielefeld

Diese Forscher von den Universitäten Bielefeld, Kaiserslautern, Kiel und Würzburg haben die kleinste Lasershow der Welt möglich gemacht. Foto: Tobias Brixner, Universität Würzburg

Diese Forscher von den Universitäten Bielefeld, Kaiserslautern, Kiel und Würzburg haben die kleinste Lasershow der Welt möglich gemacht. Foto: Tobias Brixner, Universität Würzburg

Ultraschnell und auf kleinstem Raum läuft eine Art Lasershow ab, die Wissenschaftler der Universitäten Bielefeld, Kaiserslautern, Kiel und Würzburg realisiert haben. Ihr Experiment stellen sie in der Zeitschrift PNAS vor.

In einer Lasershow entstehen durch das schnelle Schalten und Ablenken von Laserstrahlen unerwartete Lichteindrücke, die sich auf andere Weise nicht erreichen lassen. Das schnelle raum-zeitliche Schalten von Licht ist aber nicht nur für ästhetische Effekte relevant: Es findet auch Anwendung in der Kommunikationstechnologie bei optischen Lichtwellenleitern, in der Optoelektronik oder in neuen Mikroskopie- und Spektroskopieverfahren.

Die Verteilung von Licht im Raum lässt sich mit herkömmlichen optischen Methoden bis in einen Bereich von etwa einem halben Mikrometer gezielt manipulieren und steuern. Ein halber Mikrometer ist zwar schon etwa 100 Mal kleiner als der Durchmesser eines Haares, aber für zukünftige technische Anwendungen muss das Licht auf einer noch feineren Skala manipulierbar sein. Die Wissenschaft strebt hier weniger als ein Zehntel eines Mikrometers an, also unter 100 Nanometer. Gelingt das, so werden dadurch zum Beispiel noch schnellere und noch kleinere Bauelemente für die Mikroelektronik möglich, deren Bauteile extrem nah beieinander liegen, sich aber trotzdem noch einzeln mit Lichtsignalen ansteuern lassen.

Extrem schnell schaltbare Nano-Antenne

Wer Licht im Nanometerbereich beeinflussen will, braucht winzige metallische „Antennen“. Sie fangen Lichtpulse auf und reichen sie an ihre Umgebung weiter. Dieser Vorgang kann extrem schnell geschaltet werden, wie die deutschen Wissenschaftler jetzt im Magazin PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) zeigen: Mit einem einzigen Lichtpuls lassen sich innerhalb von nur 50 Femtosekunden gezielt und selektiv Teile der Antenne anregen, die nur 200 Nanometer voneinander entfernt liegen.

Ein Femtosekunden-Lichtblitz ist unvorstellbar kurz: Er verhält sich zu einer Minute, wie sich wiederum eine Minute zu 14 Milliarden Jahren verhält.

Geformte Laserpulse als Grundlage

Wie den Wissenschaftlern dieser Erfolg gelungen ist? Mit ultrakurzen geformten Laserpulsen, deren Eigenschaften sich genau festlegen lassen. Die Forscher können in solchen Pulsen das Mischungsverhältnis der Farben bestimmen und deren zeitliche Abfolge – ob also der Laserpuls beispielsweise zuerst grünes und dann orangefarbenes Licht in die winzige Antenne schickt. Auch die Schwingungsrichtung des Lichts lässt sich in solchen Pulsen nach Wunsch verändern.

Antenne strahlt gewünschtes Lichtmuster ab

Eigens für das Experiment haben die Wissenschaftler eine sonnenförmige Nano-Antenne entwickelt. Trifft ein geformter Laserpuls darauf, regt er die Antenne derart unterschiedlich an, dass sie daraufhin – räumlich und zeitlich versetzt – ein gewünschtes Lichtmuster abstrahlt. Die Forscher haben also gewissermaßen die kleinste und schnellste Lasershow der Welt realisiert. Sichtbar gemacht haben sie die Show mit einer stroboskopischen Aufnahme durch ein Photoemissions-Elektronenmikroskop.

Dieses äußerst komplexe Experiment erfordert ein so breites Methodenspektrum und Fachwissen, dass es nur durch die Kooperation mehrerer Universitäten realisiert werden konnte. Mit ihrer Arbeit haben die Forscher aus Bielefeld, Kaiserslautern, Kiel und Würzburg dazu beigetragen, dass wieder ein Schritt hin zu noch kleineren und leistungsfähigeren Mikrobauteilen getan ist. Sie eröffnen zudem neuartige Möglichkeiten, extrem kleine und schnelle Vorgänge der Quantenwelt zu untersuchen.

Spatiotemporal control of nanooptical excitations. Martin Aeschlimann, Michael Bauer, Daniela Bayer, Tobias Brixner, Stefan Cunovic, Frank Dimler, Alexander Fischer, Walter Pfeiffer, Martin Rohmer, Christian Schneider, Felix Steeb, Christian Strüber und Dmitri V. Voronine, PNAS, online vorab publiziert am 8. März 2010, doi:10.1073/pnas.0913556107

Ansprechpartner an den beteiligten Universitäten (in alphabetischer Reihenfolge):

Prof. Dr. Martin Aeschlimann, Technische Universität Kaiserslautern, Tel. 0631/205-2322, ma@physik.uni-kl.de

Prof. Dr. Michael Bauer, Universität Kiel, Tel. 0431/880-5098, bauer@physik.uni-kiel.de

Prof. Dr. Tobias Brixner, Universität Würzburg, Tel.: 0931/31-86330 brixner@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Walter Pfeiffer, Universität Bielefeld, Tel.: 0521/106-5470 pfeiffer@physik.uni-bielefeld.de

Von: Robert Emmerich

11.03.2010, 16:01 Uhr