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Ultraschnell und sehr genau

Patrick Maurer

Attosekunden-Pulse von vielfarbigem Licht können ein Zwei-Niveau-System anregen.

02.09.2016: Treffen extrem kurze Lichtpulse auf Materie, zeigt sich ein überraschender Quanteneffekt. Das haben Theoretische Physiker um Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und der Universität Innsbruck entdeckt. Dieser Effekt könnte möglicherweise dazu genutzt werden, eine völlig neue Art von hochauflösenden Lichtmikroskopen zu bauen.

Die Erfindung des Lichtmikroskops stand am Anfang der modernen Naturwissenschaften. Viele fundamentale Fragen konnten mit seiner Hilfe geklärt werden. Noch heute haben Mikroskope in der Forschung eine enorme Bedeutung und gehören zur Grundausstattung vieler Labors. Für besonders hochauflösende Lichtmikroskope prägte der Chemie-Nobelpreisträger Stefan Hell den Begriff Nanoskope, weil diese auch Objekte im Nanometer-Bereich sichtbar machen können. Nun haben Oriol Romero-Isart und Doktorand Patrick Maurer gemeinsam mit Ignacio Cirac vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München eine Entdeckung gemacht, die möglicherweise die Entwicklung einer völlig neuen Art von Nanoskopen erlaubt.

Die Auflösung von Lichtmikroskopen ist durch die Wellenlänge des Lichts beschränkt. Mit technischen Tricks lassen sich allerdings noch höhere Auflösungen erzielen. Die Innsbrucker Physiker demonstrieren nun in einer theoretischen Arbeit in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters, wie Attosekunden-Pulse von vielfarbigem Licht ein Zwei-Niveau-System - ein einfaches Modellsystem der Quantenmechanik - anregen können. Nach kurzer Zeit geht das System wieder in den Grundzustand über und emittiert dabei ein Lichtteilchen, das sich messen lässt. „Da Attosekunden-Laser sehr gut fokussiert werden können, eröffnet dieser Ansatz möglicherweise den Weg zu einer neuen Technologie für Nanoskope“, freut sich Oriol Romero-Isart, dessen Arbeitsgruppe unter anderem auf dem Gebiet der Nanooptik forscht.

„Das Spektrum der Lichtpulse kann von Radiofrequenzen bis zu ultraviolettem Licht reichen“, erläutert Patrick Maurer. „Die Auflösung wird dabei durch die mittlere Wellenlänge des Lichts bestimmt.“ Die Dauer der Lichtpulse muss extrem kurz sein, im Attosekunden-Bereich. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Nun wollen die Wissenschaftler diesen Ansatz mit realen Molekülen durchrechnen und so den Weg zu den neuartigen Nanoskopen weiter ebnen.

Originalveröffentlichung:
Patrick Maurer, J. Ignacio Cirac, and Oriol Romero-Isart; "Ultrashort Pulses for Far-Field Nanoscopy"; Phys. Rev. Lett.; 117, 103602 – Published 29 August 2016

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