Neues Feld der NanophotonikStuttgarter Physiker erforschen Stereometamaterialien

Rechts- und linksdrehende Milchsäuren sind ein Beispiel für die Stereochemie, einem For-schungszweig der Chemie, der untersucht, welchen Einfluss die räumliche Struktur der Bestandteile eines Moleküls auf die elektro-nischen und optischen Eigenschaften der Moleküle hat. Physiker am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart unter Lei-tung von Prof. Harald Giessen haben diese Ideen aus der Chemie aufgegriffen und auf das Gebiet der Nano-Optik und Photonik übertragen.

Gemeinsam mit Kollegen der NanjingUniversity/China stellten die Stuttgarter Wissenschaftler winzige Metall-Nanostruk-turen her, die nur etwa 100 Nanometergroß waren. Diese ordneten sie auf ver-schiedene Arten räumlich dreidimensional an, und zwar so, dass sich die einzelnen An-ordnungen nicht durch Drehungen oder Spiegelungen ineinander überführen lie-ßen. Als Bausteine dienten dabei U-förmige so genannte Split-Ring-Resonatoren aus Gold, die auch schon als Bausteine für Me-tamaterialien bekannt geworden sind. Es stellte sich heraus, dass bei der Verdrehung der einzelnen Elemente gegeneinander die elektronischen und optischen Eigenschaften stark variierten. Das grundlegend neue Ele-ment bei diesen „Stereometamaterialien“ ist eine zusätzliche magnetische Kopplung der einzelnen Bausteine untereinander, die gewöhnlich in Molekülen nicht auftritt. Dort dominieren üblicherweise die elek-trischen Eigenschaften. In metallischen Me-tamaterialien hingegen können die magne-tischen Effekte um ein Vielfaches größer sein als in Molekülen.

Durch Variation des Verdrillwinkels las-sen sich die Verhältnisse von elektrischer und magnetischer Kopplung sehr genau einstellen. Bei einer Verdrillung von unge-fähr 60 Grad kompensieren sich die elek-trischen und magnetischen Effekte ziemlich genau. Dann treten die höheren Ord-nungen der Wechselwirkung, nämlich Qua-drupol- und Oktupoleffekte zutage, die in Molekülen nur schwer zu finden sind.

ABB. 2: Künstlerische Darstellung der Chiralität von Stereometamaterialien. (Bild: Sven Hein, 4. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart.)

Die Stuttgarter Gruppe stellte eine ganze Serie von Stereometamaterialien her. Sie be-diente sich dabei eines Verfahrens, wie es auch in der Halbleiterchip-Industrie verwen-det wird: Lage für Lage werden Metallnano-strukturen übereinander gestapelt mit die-lektrischen isolierenden Abstandsschichten dazwischen. Die Forscher versprechen sich von ihrer Arbeit die Erschließung eines ganz neuen Feldes in der Nanophotonik, bei dem sowohl die räumliche Anordnung als auch die elektrischen und magnetischen Eigen-schaften der Nanostrukturen in zukünftige Strukturen mit integriert werden. Anwen-dungen ähnlich der Flüssigkristalle zur chi-ralen (das heiß rechts- und linkshändischen) Beeinflussung der Polarisation oder bei der Effizienzsteigerung von Solarzellen mithilfe der Elektronenschwingungen in den Metall-Nanostrukturen könnten die Folge sein.

Kontakt:

Prof. Harald Giessen

4. Physikalisches Institut

Tel.: +49 (0)711 685-65111

E-Mail: giessen@physik.uni-stuttgart.de

– Originalpublikation: Na Liu, Hui Liu, Shining

Zhu and Harald Giessen: „Stereometamateri-

als“, Nature Photonics, advance online publi-

cation 22. Feb. 2009

– doi: http://dx.doi.org/10.1038/NPHOTON.2009.4

ABB. 1: Stereoisomer eines Moleküls aus zwei Split-Ring Resonatoren, die um 60 Grad verdrillt sind. (Bild: Sven Hein, 4. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart.)

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3-D-Oberflächeninspektionan bewegten Objekten – SPARC

Ein seit langem verfolgtes und wichtiges Ziel in der industriellen Bildverarbeitung ist die schnelle dreidimensionale Erfassung von Szenen. Derzeit ist dieses Problem noch nicht allgemein gelöst, denn die meisten optischen 3-D-Verfahren erfordern etliche Einzelaufnahmen oder arbeiten scannend. Das neue System SPARC (Surface Pattern Analyzer and Roughness Calculator) basiert auf dem Prinzip „Shape-from-Shading (SfS)“ und ist in der Lage, mit nur einer einzigen Aufnahme dreidimensionale Bilder von Ob-jekten zu liefern, wodurch auch die Analyse bewegter Objekte möglich wird.

Mit SPARC (Surface Pattern Analyzer and Roughness Calculator) stellt In-Situ ein ge-meinsam mit der Hochschule für angewandte

Wissenschaften Rosenheim entwickeltes op-tisches 3-D-Messsystem vor, das mit nur ei-ner einzelnen Aufnahme dreidimensionale Bilder von Objekten liefert. Es kommen aus-schließlich Standardkomponenten ohne be-wegliche Elemente zum Einsatz.

Synchrone Bildaufnahme

Bisher mussten nach dem Verfahren „Shape-from-Shading“ mit einer senkrecht auf das zu vermessende Objekt gerichteten Kamera nacheinander mindestens drei, aus unter-schiedlichen Winkeln beleuchtete Bilder auf-genommen werden. Aus den Einzelbildern konnte dann die 3-D-Oberfläche rekonstru-iert werden. Mit dem hier vorgestellten und zum Patent angemeldeten, modifizierten Verfahren werden die Mehrfachaufnahmen durch eine einzige synchrone Bildaufnahme mit drei Kameras und speziellen Lampen mit teildurchlässigen, dielektrischen Spiegeln er-setzt. Da die Belichtungszeit nur ca. 100 µs beträgt, können so auch bewegte Objekte aufgenommen werden. Außerdem wurde das Analyseverfahren so weiter entwickelt und parallelisiert, dass die Auswertege-schwindigkeit auf 20 Messungen pro Sekun-de erhöht werden konnte.

Anwendungen

Das Messsystem zur 3-D-Oberflächeninspek-tion SPARC ist dazu geeignet, dreidimen-sionale, stetige Oberflächen ohne Löcher und scharfe Kanten in Echtzeit zu erfassen. Anwendungsbeispiele sind die Kontrolle von Prägeschriften, Gravuren, Blindenschrift-Punkten und Schlagzahlen. Die Analyse erhabener Texturen von Leder, Textilien,

ABB. 2: Abbild einer strukturierten Oberflächenbeschichtung.Quelle: Hochschule für Angewandte Wissenschaften Rosenheim.

Kunststoff oder Kartonagen sind weitere ty-pische Applikationen. Auch die Messung von Rauigkeiten gemäß ISO 4287, beispielsweise von Schleifprofilen, ist möglich. Die Höhen-auflösung beträgt bei einem Blickfeld von 15 cm ca. 20 µm und bei einem Gesichts-felddurchmesser von 10 mm ca. 1 µm.

Das System wird im Rahmen der Sonder-schau „Berührungslose Messtechnik“ an-lässlich der Control 2009 in Stuttgart, 5. bis 8. Mai, in Halle 1, Stand 1612, vorgestellt. Die Sonderschau will einen Beitrag zur Ver-breiterung der Akzeptanz berührungsloser Messtechnik leisten, indem an einigen aus-gewählten Exponaten die Konstruktions-prinzipien, Eigenheiten und Grenzen der neuen Messmöglichkeiten demonstriert werden. Die Sonderschau findet mit Unter-stützung der P. E. Schall GmbH & Co. KG und der Fraunhofer-Allianz Vision statt.

Die Fraunhofer-Allianz Vision ist ein Zu-sammenschluss von Fraunhofer-Instituten zu den Themen Bildverarbeitung, optische Inspektion und 3-D-Messtechnik, Röntgen-messtechnik und zerstörungsfreie Prüfung.

Kontakt:

Fraunhofer-Allianz Vision

Regina Fischer M. A.

Am Wolfsmantel 33

91058 Erlangen

Tel.: +49 (0)9131 776-530

Fax: +49 (0)9131 776-599

E-Mail: vision@fraunhofer.de

Website: www.vision.fraunhofer.de

ABB. 1: Der SPARC-Messkopf. Zu erkennen sind die drei Leuchten und die drei Kameras mit Filterbox. Quelle: Hochschule für Angewandte Wissenschaften Rosenheim.

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14 Optik & Photonik April 2009 Nr. 1 © 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Lichtmikroskop macht atomare Fehlstellen sichtbarDie Stimulated Emission Depletion-Mikroskopie lässt die Beugungsgrenze weit hinter sich

Früher galt es als ausgemacht, dass man mit einem Lichtmikroskop zwei Objekt-details nur dann voneinander unterschei-den kann, wenn ihr Abstand mindestens halb so groß ist wie die Wellenlänge des be-nutzten Lichtes. Über diese Beugungsgren-ze hat sich schon die Nahfeldmikroskopiehinweggesetzt. Und auch im Fernfeld wird mit der von Stefan Hell entwickelten Stimu-lated Emission Depletion- (STED-) Mikros-kopie eine optische Auflösung weit unter-halb der Beugungsgrenze erreicht. Jetzt haben Hell und seine Kollegen vom MPI in Göttingen atomare Fehlstellen in Diaman-ten mit einer Auflösung von 6 nm abgebil-det – bei einer Wellenlänge von 600 nm!

Es handelte sich um Stickstofffehlstellen im Diamantkristall, bei denen ein Kohlen-stoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt ist und ein benachbarter Gitterplatz unbe-setzt bleibt. Solche Fehlstellen enthalten zwei ungepaarte Elektronen mit Gesamts-pin 1. Befinden sich im Diamantkristall zwei C-13-Atome in der Nähe einer N-Fehlstelle,so kann man die Kernspins mit Hilfe des Fehlstellenspins z.B. in einen verschränkten Quantenzustand bringen, wie die Gruppe von Jörg Wrachtrup an der Universität Stutt-gart gezeigt hatte. Die N-Fehlstellen sind also für eine Quanteninformationsverarbei-tung interessant. Darüber hinaus zeigen sie auch Fluoreszenz. Dadurch wird es mög-lich, diese Farbzentren mit dem STED-Mi-kroskop sichtbar zu machen.

Wird solch eine N-Störstelle mit grünem Laserlicht bestrahlt, geht sie aus dem Grund-zustand in ein Vibrationsniveau eines ange-regten Zustands über. Ein Teil der Vibrations-energie wird strahlungslos abgegeben, dann geht die Fehlstelle innerhalb von 11,6 ns in den Grundzustand zurück. Dabei strahlt sie oranges Fluoreszenzlicht ab. Die Abbildung der Fehlstelle mit diesem Licht unterliegt aber der klassischen Beugungsgrenze. Um diese Grenze zu durchbrechen, überlagerten Stefan Hell und seine Kollegen dem grünen Laserlicht einen intensiven roten Laserstrahl, der in seinem Zentrum ein Loch mit nahezu verschwindender Intensität hatte.

Wurde eine angeregte Fehlstelle vom roten Licht getroffen, so erfolgte umgehend stimulierte Emission und die Fehlstelle ging in ein Schwingungsniveau des Grundzu-

standes über. In diesem „dunklen“ Zustand verblieb sie zunächst, bis sie wieder in das niedrigste Schwingungsniveau zurückkehrte und an der Fluoreszenz teilnehmen konnte. Traf der rote Laserstrahl die angeregte Fehl-stelle hingegen mit seinem dunklen Zen-trum, so kam es nicht zur stimulierten Emis-sion und die Fehlstelle konnte weiter fluoreszieren. Das Fluoreszenzleuchten der Fehlstelle wurde durch den roten Laserstrahl gewissermaßen auf einen kleineren Bereich eingeschränkt. Wenn der Diamantkristall mit dem grün-roten Doppelstrahl abgerastert wurde, leuchteten die Fehlstellen nur auf, wenn sie genau im dunklen Zentrum des roten Strahls lagen. Unter dem Mikroskop erschienen die Fehlstellen als 6 nm große Scheibchen, deren Zentren sich auf 0,1 nm genau bestimmen ließen.

Das STED-Mikroskop eröffnet viele wei-tere Möglichkeiten. So könnte man auch dreidimensionale Bilder mit Nanometerauf-lösung in Blickrichtung machen. Ein lokales Magnetfeld am Ort der Fehlstelle ließe sich über seine Wirkung auf die Fluoreszenz-strahlung bestimmen. Auch Störstellen in anderen Kristallen könnte man untersu-chen. Doch eines steht schon jetzt fest: Das STED-Mikroskop hat seine Auflösungsgren-ze noch längst nicht erreicht.

Rainer Scharf

– Originalveröffentlichung: Eva Rittweger et al.:

STED microscopy reveals crystal colour centres

with nanometric resolution. Nature Photonics,

published online 22.2.2009

http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2009.2

http://www.mpibpc.mpg.de/groups/hell/pub-

lications/pdf/Nature_Phortonics_10.1038_

NPHOTON.2009.2.pdf (frei)

– Gruppe von Stefan Hell am MPI für Biophysi-

kalische Chemie in Göttingen: http://www.

mpibpc.mpg.de/groups/hell/

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Ultrastark und ultraschnellIntensive Wechselwirkung zwischen Materie und Licht lässt sich innerhalb eines Bruchteils der Schwingungsperiode anschalten

Normalerweise sehen sie sich nie wieder: ein Atom und ein von ihm abgestrahltes Photon. Befinden sich die beiden jedoch zwischen zwei Spiegeln in einem Hohl-raumresonator hoher Güte, so kann das Atom das Photon immer wieder absorbie-ren und emittieren, bevor das Lichtteilchen schließlich doch verlorengeht. Atom und Photon „verschmelzen“ dabei miteinander und es tritt ein neuer atomarer Zustand auf. Bei dieser ultrastarken Wechselwirkung zwi-schen Licht und Materie, die man auch mit Quantenpunkten und in Halbleiterheterost-rukturen beobachtet hat, zeigen sich neue Gesetzmäßigkeiten. Jetzt hat ein interna-tionales Forscherteam nachgewiesen, dass diese Wechselwirkung auch ultraschnell ist und sich in weniger als einer Lichtschwin-gung einschalten lässt.

Wie schnell die ultrastarke Wechselwir-kung von 0 auf 100 kommt, haben Rupert Huber an der Uni Konstanz und seine Kolle-gen aus Deutschland, Italien und Frankreich an einer Halbleiterheterostruktur untersucht. Sie bestand aus 50 identischen, 9 nm dicken undotierten Galliumarsenid-Quantengräben, die durch 30 nm dicke Aluminiumgalliumar-senid-Barrieren voneinander getrennt wa-ren. Diese Schichtstruktur war nach oben und unten mit dickeren Halbleiterschichten abgeschlossen, so dass das Ganze einen Wellenleiter für gepulste Terahertzstrahlung bildete, die über ein Prisma ein- und wieder ausgekoppelt werden konnte. Anhand die-ser Strahlung ließ sich verfolgen, wie stark und wie schnell das Licht und die Materie miteinander wechselwirkten.

Da die Quantengräben undotiert waren, enthielten sie normalerweise keine Lei-tungselektronen, die mit der eingekop-pelten Strahlung hätten wechselwirken können. Das hatte zur Folge, dass die Strah-lung in einem Energiebereich von 90 bis 140 meV den Wellenleiter nahezu unbeein-flusst passieren konnte. Dies änderte sich, als die Forscher die Schichtstruktur von oben her mit einem 12 fs langen Kontroll-Laserpuls bestrahlten, dessen Energie von 1,55 eV ausreichte, um Elektronen aus dem Valenzband der Halbleiterstruktur ins unte-re Leitungsband zu bringen. Diese Elektro-nen konnten nun mit der gepulsten Tera-hertzstrahlung wechselwirken und von ihr in das obere Leitungsband der Halbleiter-struktur gebracht werden. Dabei nahmen sie eine Energie von 113 meV auf.

Hatte der Kontrollpuls eine geringe In-tensität, so konnte er nur wenige Elektro-nen anregen. Die Wechselwirkung zwischen diesen Elektronen und der Terahertzstrah-lung fiel entsprechend schwach aus. Die wieder ausgekoppelte Strahlung war bei 113 meV, der Anregungsenergie der Elek-tronen, leicht abgeschwächt und zeigte dort ein Minimum. Je intensiver der Kon-trollpuls war, umso stärker wechselwirkte die Terahertzstrahlung mit den Elektronen. Schließlich kam es zu Rabi-Oszillationen: Einzelne Elektronen wurden von der Strah-lung mehrfach an- und wieder abgeregt. Diese Oszillationen führten dazu, dass die Elektronen mit den Terahertzphotonen von 113 meV zu Polaritonen verschmolzen, de-ren Energie kleiner oder größer als 113 meV sein konnte. Tatsächlich hatte die ausge-koppelte Terahertzstrahl jetzt zwei Minima, oberhalb und unterhalb von 113 meV, die immer weiter auseinander liefen, je inten-siver der Kontrollpuls war. Die Wechselwir-kung zwischen den Elektronen und der Strahlung war ultrastark geworden.

Doch wie viel Zeit brauchte die Wechsel-wirkung, um ultrastark zu werden? Die For-scher wiederholten ihr Experiment mit einem intensiven Kontrollpuls, der sehr viele Elektronen anregte. Dabei variierten sie das Zeitintervall zwischen den 12 fs langen Kontrollpuls und dem einige 100 fs langen Puls der Terahertzstrahlung, deren Schwin-gungsperiode etwa 37 fs betrug. Kam der Kontrollpuls zu spät, so konnte er keine starke Wechselwirkung ermöglichen. Kam er gleichzeitig mit dem Terahertzpuls an oder früher, so konnten die Elektronen ul-trastark mit der Strahlung wechselwirken. Die ultrastarke Wechselwirkung zwischen Elektronen und Strahlung war demnach in-nerhalb von 12 fs angeschaltet worden, also deutlich schneller als die Schwingungs-periode der Strahlung. Das Experiment zeigt, dass elektrooptische Schalter, wie sie für die Telekommunikation benötigt wer-den, viel schneller arbeiten können als man zunächst gedacht hatte.

Der jetzt beobachtete ultraschnelle An-schaltvorgang ist in hohem Maße nicht-adiabatisch. Neuere Theorien sagen dafür ungewöhnliche Strahlungsphänomene vor-her. So könnten etwa virtuelle Photonen, die den Vakuumfluktuationen des Strah-lungsfeldes zugrunde liegen, von solch ul-traschnellen Vorgängen überrascht werden

und zu realen, direkt beobachtbaren Pho-tonen werden, ähnlich denen der Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern. Die vor-hergesagten Photonenzahlen von etwa 1000 pro Strahlungspuls lassen einen expe-rimentellen Nachweis möglich erscheinen.

Rainer Scharf

– Originalveröffentlichung: G. Günter et al.: Sub-

cycle switch-on of ultrastrong light–matter in-

teraction. Nature 458, 178 (2009)

http://dx.doi.org/10.1038/nature07838

– Gruppe von Rupert Huber an der Uni Kons-

tanz: http://www.uni-konstanz.de/FuF/Physik/

terahertz/home.htm

– Gruppe von Alfred Leitenstorfer an der Uni

Konstanz: http://www.uni-konstanz.de/quan-

tum-electronics

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