Winziger Lichtsensor

News: Winziger Lichtsensor

Da die Wellenlängen des sichtbaren Lichts im Bereich einiger Hundert Nanometer liegen, lässt sich erahnen, dass es winziger Sonden bedarf, das abwechselnde Hell und Dunkel einer stehenden Lichtwelle zu beobachten. Deutsche Forscher bedienten sich nun eines einzelnen Calcium-Ions, um mit bisher unerreichter Auflösung ein solches Strahlungsfeld zu untersuchen.

Thorsten Krome

Radiofrequenzfalle — © Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Ausschnitt)

Sichtbares Licht umfasst nur einen kleinen Teil des gesamten elektromagnetischen Strahlungsspektrums. Etwa zwischen 380 und 780 Nanometer liegen die Wellenlängen, die unsere Photorezeptoren im Auge wahrnehmen können. Angesichts solch kleiner Längen kann man sich leicht vorstellen, wie schwierig es ist, die Intensität eines Lichtfeldes – etwa zwischen zwei Spiegeln – zu vermessen. Denn schon eine Distanz von hundert Nanometern kann zwischen maximaler Lichtintensität und völliger Dunkelheit entscheiden.

Zwar versuchten Wissenschaftler bereits mit winzigen Sonden, bestehend aus einzelnen Molekülen, Lichtfelder abzubilden. Doch war die Qualität der Bilder bescheiden, da die Forscher die Moleküle in einem Kristall einbauen oder auf einer Unterlage fixieren mussten. Diese Hilfsstrukturen begrenzten jedoch durch Absorption, Streuung und Beugung das Auflösungsvermögen der Sonde.

Nun konnten Gerhard Guthöhrlein und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching das Problem lösen. Die Forscher nutzten für ihre Experimente nur ein einzelnes Calcium-Ion, das sie im elektrischen Feld einer so genannten Radiofrequenzfalle gefangen hielten. Eine solche Ionenfalle hat den Vorteil, dass sie die Wechselwirkung zwischen Ion und Lichtfeld in keiner Weise stört. Weiterhin kühlten die Wissenschaftler das Calcium-Ion mit Lasern auf eine Temperatur von weniger als einem Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Bei derart tiefen Temperaturen ist die Zitterbewegung des Ions nur noch auf etwa 60 Nanometer beschränkt.

Das Ion befand sich außerdem genau zwischen zwei sechs Millimeter voneinander entfernten Miniaturspiegeln. Laserlicht, das hier eingestrahlt wurde, bildete ein Lichtfeld aus. Die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts betrug 397 Nanometer und konnte von dem Calcium-Ion absorbiert werden. Damit detektierte das Ion lokal – auf einen Bereich von 60 Nanometern genau – die Lichtintensität des Feldes. Über das anschließend von ihm abgestrahlte Fluoreszenzlicht ließ sich so die Intensität an seinem jeweiligen Ort feststellen. Denn mehr Fluoreszenzlicht bedeutet auch eine höhere Lichtintensität. Indem die Forscher das Ion beziehungsweise die Falle ein wenig bewegten, konnten sie ein dreidimensionales Bild des Feldes aufnehmen.

Doch lässt sich mit dem Calcium-Ion nicht nur ein unvergleichlicher Einblick in die mikroskopische Struktur eines solchen Lichtfeldes erlangen, man kann es auch umgekehrt dazu nutzen, Licht mit besonderen Eigenschaften zu erzeugen. "Wir können beispielsweise mit der im MPQ verwendeten Apparatur Pulse produzieren, die aus exakt einem Lichtquant bestehen. Das wäre eine hervorragende Grundlage für das abhörsichere Übertragen von Informationen", erklärt Herbert Walther, der Leiter des Forschungsteams.

Weiterhin könnte auch die Entwicklung von Quantencomputern von den Experimenten am MPQ profitieren. "Die präzise Steuerung der Wechselwirkung mit Licht ermöglicht einen einfachen Austausch von Quanteninformation zwischen den Ionen und ist den bisher vorgeschlagenen Methoden bei weitem überlegen."

Zunächst wollen die Forscher jedoch das Ion noch stärker abkühlen, sodass es seinen Grundzustand einnimmt. Dadurch ließe sich die Auflösungsvermögen des Systems vielleicht auf bis zu einen Nanometer verbessern.