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Eine Arena für Licht-Artisten

26.06.2008
Senat der Max-Planck-Gesellschaft beschließt die Gründung des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen

Um künftig mit Informationen zu jonglieren, könnten Tricks von Licht-Artisten helfen - von Wissenschaftlern etwa wie sie am neuen Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen arbeiten werden. Der Senat der Max-Planck-Gesellschaft hat heute im Rahmen der diesjährigen Jahresversammlung beschlossen, dieses Institut zum 1. Januar 2009 zu gründen. Es entsteht aus der Max-Planck-Forschungsgruppe "Optik, Information und Photonik" an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Aus der Forschungsgruppe stammen auch die zwei Gründungsdirektoren des Instituts: Prof. Gerd Leuchs und Prof. Philip St. John Russell. Die Wissenschaftler untersuchen seit 2004 grundlegende Phänomene der Physik des Lichts. "Diese Arbeiten sind wissenschaftlich ausgezeichnet", sagt Prof. Peter Gruss, Präsident der Max-Planck-Gesellschaft: "Sie werden dazu beitragen, die Informationsverarbeitung und den Datenverkehr der Zukunft zu entwickeln."

Fliegende Untertassen aus Licht, Atome die einzelne Photonen aufsaugen, Farbspiele mit Laserstrahlen oder der schärfste Brennpunkt der Welt - das sind nur ein paar der Kunststücke, die die Wissenschaftler am künftigen Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts schon beherrschen oder dort austüfteln werden. Sie werden Licht in allen Dimensionen und Aspekten kontrollieren: in Raum, Zeit, Polarisation - das ist vereinfacht gesprochen die Schwingungsrichtung der Lichtwelle - und in seinen Quanteneigenschaften. Zu diesem Zweck entwickeln und nutzen die Forscher neuartige optische Strukturen wie etwa photonische Kristalle, die Licht bestimmter Farbe reflektieren, oder plasmonische Materialien, in denen Licht und Ladungsträger auf neue Weise miteinander wechselwirken. Sie werden aber auch Metamaterialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften erforschen. Diese können etwa eine negative Brechzahl besitzen, sodass sie sich möglicherweise für optische Tarnkappen eignen.

Das Institut baut auf die Max-Planck-Forschungsgruppe "Optik, Information und Photonik" an der Universität Erlangen auf, die seit 2004 eine lange Tradition der Optik-Forschung in Erlangen intensiviert und ihr Disziplinen übergreifend neue Impulse gegeben hat. Ein vom Präsidenten der Max-Planck-Gesellschaft und dem Rektor der FAU eingesetztes Gutachterkomitee bewertete die Ergebnisse der Gruppe als hervorragend.

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Ein Netz für optische Forschung

Nach dem Ende der Laufzeit der Forschungsgruppe, die auf fünf Jahre befristet war und drei Abteilungen umfasste, wird nun um zwei dieser Abteilungen das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts entstehen. Es wird weiterhin eng mit der Universität zusammenarbeiten. Nach einer Aufbauphase von vier Jahren soll es insgesamt vier Abteilungen umfassen. Insgesamt sind für das Institut 111 Planstellen vorgesehen, darunter rund 44 Positionen für wissenschaftliche Mitarbeiter.

Das geplante Institut fügt sich in ein Netz von Max-Planck-Instituten ein, deren Forschungsgebiete es berühren und ergänzen wird. Mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ist beispielsweise eine Zusammenarbeit an photonischen Glasfasern verabredet: Prof. Ferenc Krausz möchte mit Philip Russell Attosekundenpulse im Röntgenbereich erzeugen. Mit dem MPI für Festkörperforschung in Stuttgart könnten die Erlanger Physiker gemeinsam optische Eigenschaften von Halbleitern untersuchen, mit dem MPI für Mikrostrukturphysik in Halle an Mikro- und Nano-Strukturen aus Silizium arbeiten, die interessante optische Eigenschaften besitzen, oder mit dem MPI für biophysikalische Chemie neue Methoden der Mikroskopie entwickeln.

Die wissenschaftlichen Ziele der Abteilungen

Der Abteilung "Optik und Information" wird Prof. Gerd Leuchs als Direktor vorstehen. Sie besteht bereits in der derzeitigen Forschungsgruppe und beschäftigt sich mit der klassischen Optik vom Makro- bis zum Nanomaßstab. So gelang es den Wissenschaftlern, einen Laser dreimal schärfer zu fokussieren als es bislang möglich war - ein Beitrag, um kompaktere optische Datenspeicher zu bauen oder feinere lithografische Strukturen zu erzeugen, mit denen jedes elektronische Bauteil arbeitet. "Diese Arbeit hat international für einiges Aufsehen gesorgt", sagt Gerd Leuchs. Er und seine Mitarbeiter nutzten dabei einen radialen Polarisator. Er filtert das elektromagnetische Lichtfeld nach seiner Schwingungsrichtung senkrecht zum Laserstrahl. Und zwar so, dass dieses Feld im Zentrum des Strahls verschwindet und nur ein Lichtring ähnlich einem Rad zurückbleibt, in dem das Licht entlang der Speichen schwingt. Sammeln die Forscher diesen Lichtring nun im Brennpunkt einer Linse, so überlagert sich das Feld des Rings mit sich selbst so, dass ein besonders kleiner Brennpunkt entsteht.

Die Wissenschaftler in dieser Abteilung fokussieren einen Laserstrahl aber nicht nur schärfer, sie unterdrücken auch sein Photonenrauschen - ein Effekt, der auf der quantenmechanischen Unschärfe beruht und die Photonen eines Laserstrahls mal dichter und mal weniger dicht strömen lässt. Ein geeigneter Apparat sortiert die Photonen jedoch so um, dass sie einen nahezu gleichmäßigen Strahl formen. Mit der Hilfe der Techniken, die dieses sogenannte gequetschte Licht liefern, wollen die Erlanger Wissenschaftler unter anderem auch den Datentransport im Glasfasernetz vereinfachen. Da dabei die Qualität der Lichtsignale ständig schlechter wird, muss bislang eine herkömmliche Elektronik das Signal im Abstand von rund 400 Kilometern immer wieder auffrischen. Ließe sich das optische Signal ohne den Umweg über die Elektronik erneuern, würde das den Aufwand drastisch verringern. An solchen rein optischen Methoden der Signalauffrischung arbeiten Gerd Leuchs und seine Mitarbeiter mit den Methoden, die auch das quantenmechanische Photonenrauschen unterdrücken.

Mit Quantenphysik werden sie auch zu tun haben, wenn sie ein einzelnes Atom wie geplant dazu bringen, genau ein Photon aufzusaugen. "Wir wollen den Prozess der spontanen Emission umkehren", sagt Gerd Leuchs. Der Plan: Das Atom im Brennpunkt eines sehr tiefen und perfekt reflektierenden Parabolspiegels festhalten und dann ein einzelnes Photon von allen Seiten zum Brennpunkt laufen lassen. Beim Aufbau dieser diffizilen Apparatur kommt den Wissenschaftlern zugute, dass sie die Polarisation entlang der Radspeichen beherrschen und selbst die Spiegeloberfläche sehr exakt vermessen und korrigieren können - natürlich mit der Hilfe optischer Methoden.

Nicht weniger facettenreich sind die Forschungsarbeiten der Abteilung "Photonik und neue Materialien" von Prof. Philip Russell, aber es sind Facetten eines zentralen Themas: Licht in hohlen Fasern aus photonischen Kristallen, kurz PCF. Solche Fasern leiten Licht extrem verlustfrei und gebündelt. Mit einem festen Kern eignen sich die PCF besonders gut, um Licht einer Farbe in andere Farben umzuwandeln - diese Eigenschaft nutzt etwa der Physiknobelpreisträger Prof. Theodor Hänsch - Direkor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik -, um Licht eines Lasers in einen Frequenzkamm aufzuspalten. Philip Russell, der diese Fasern entwickelte, hat in Zukunft noch viel damit vor: So möchte er aus den Hohlkern-PCF medizinische Sensoren entwickeln. In Proben, die durch den hohlen Faserkern strömen und dort von einem Laserstrahl durchleuchtet werden, lassen sich nämlich dank der besonderen Qaulität dieses Laserlichts winzige Mengen von Molekülen nachweisen.

Philip Russell möchte zudem Mikroteilchen, die auf einer Laserwelle reiten, mit hoher Geschwindigkeit durch die Fasern jagen. "Für die Kernfusion wäre es sehr interessant, wenn man zwei Teilchen auf diese Weise aufeinanderprallen lassen könnte", sagt Russell. Auch "fliegende Untertassen" möchte er durch die Fasern schicken - wenn auch nur solche aus Licht. Er und seine Mitarbeiter wollen mit einem nanometerfeinen Fasernetz im Kern einer PCF Solitonen erzeugen - das sind Lichtpakete, die anders als herkömmliche Pulse nicht allmählich auseinanderfließen. "Sie würden dann wahrscheinlich in der Form einer fliegenden Untertasse durch die Faser sausen", meint Russell.

Künftig wollen Philip Russell und seine Mitarbeiter einen Laserstrahl in einer PCF auch so manipulieren, dass er Licht eines größeren Farbspektrums enthält. "Wir hoffen, dass wir auf diese Weise auch ultraviolettes Licht oder sogar Röntgenlicht herstellen können", sagt Russell. Dafür müssen die Wissenschaftler unter anderem eine photonische Kristallfaser aus einem Material entwickeln, das weniger UV-Licht absorbiert als Glas. Indem sie eine hohle Faser mit Edelgas füllen und einen Laserstrahl durch das Gas hindurchschicken, möchten sie in einem nicht-linearen Prozess sogar besonders energiereiches Röntgenlicht erzeugen: Das intensive Laserlicht ionisiert die Edelgasatome, deren Atomrümpfe sich mit den herausgeschlagenen Elektronen aber wieder vereinigen und dabei Röntgenlicht abgeben.

Photonischen Kristallen, aber auch Metamaterialien, die anders als alle natürlichen Stoffe einen negativen Brechungsindex besitzen können, soll sich auch die neue Abteilung "Nanophotonik und Plasmonik" des Instituts widmen. Die Forscher, die künftig dort arbeiten werden, sollen diese Eigenschaften unter anderem ausnutzen, um das Zusammenspiel von Licht mit Plasmonen zu erforschen. Plasmonen sind Schwankungen der Elektronendichte in Metallen. Ihre Wechselwirkungen mit Licht besser zu verstehen, könnte helfen, empfindliche Mikroskope zu bauen, die eine Oberfläche gleichzeitig mit Elektronen und mit Licht abtasten. Brächten die Wissenschaftler Plasmonen unter ihre Kontrolle, könnten sie möglicherweise bald auch neuartige Mikrolaser konstruieren.

Unter anderem solche Phänomene theoretisch zu untersuchen, soll das Arbeitsfeld der vierten Abteilung "Theorie des Lichts" sein, die jetzt ebenfalls aufgebaut wird. In ihr sollen neue Modelle für die Vorgänge in nanostrukturierten Materialien entstehen. Methoden, die makroskopische Systeme hervorragend erfassen, sind hier nämlich oft zu ungenau. Die Wissenschaftler werden aber auch daran arbeiten, nichtlineare Phänomene zu beschreiben, mit deren Hilfe sich möglicherweise eine Art optische Tarnkappe entwickeln lässt. Zudem sollen in dieser Abteilung auch relativistische Effekte in der Optik erforscht werden.

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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