01.09.2016

Ultraschnell und sehr genau

Treffen extrem kurze Lichtpulse auf Materie, zeigt sich ein überraschender Quanteneffekt. Über diese Entdeckung berichten Physiker/innen von ÖAW und Universität Innsbruck aktuell im Fachjournal „Physical Review Letters“. Der Effekt könnte möglicherweise dazu genutzt werden, eine neue Art von hochauflösenden Lichtmikroskopen zu bauen.

Bild: Patrick Maurer
Bild: Patrick Maurer

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 von 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 Patrick Maurer vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Innsbruck 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.

Neue Technologie für Nanoskope möglich

Die Auflösung von Lichtmikroskopen ist durch die Wellenlänge des Lichts beschränkt. Mit technischen Tricks lassen sich allerdings noch höhere Auflösungen erzielen. Die Physiker/innen 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/innen diesen Ansatz mit realen Molekülen durchrechnen und so den Weg zu den neuartigen Nanoskopen weiter ebnen. 

Publikation: 
“Ultrashort Pulses for Far-Field Nanoscopy”. Patrick Maurer, J. Ignacio Cirac, Oriol Romero-Isart. Physical Review Letters, 2016

 


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