Attosekunden-Nanophotonik

Zusammenspiel aus Licht und Materie

Ein Team von Physikern und Chemikern aus Rostock, München und Berlin hat die Wechselwirkung von ultrakurzen Lichtblitzen und winzigen Glasteilchen erforscht. Mit der an den Nano-Glaskügelchen konzentrierten Lichtenergie konnte das Team Elektronen in extrem kontrollierter Weise beschleunigen.

Prof. Dr. Thomas Fennel, vor dem alten Institut für Physik: „Auf dem Forschungsgebiet der Attosekunden-Nanophotonik ist Rostock ganz vorn mit dabei. Sobald der derzeitige Umzug der Physik auf den Südstadtcampus abgeschlossen ist, wird weiter mit Hochdruck an diesem Thema gearbeitet, mit allen hervorragenden Forschungsmöglichkeiten, den der neue Physikkomplex dort bietet.“ ( Foto: Uni Rostock / Julia Tetzke)

Ihre Forschungsergebnisse könnten langfristig sogar die medizinischen Methoden zur Krebsbekämpfung erweitern. Informationen könnten in unfassbar kurzer Zeit verarbeitet werden. Die Studie der Wissenschaftler wurde in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Die Beziehung zwischen starken Laserpulsen und Nanoteilchen ist sehr speziell und könnte künftig sogar medizinische Behandlungsmethoden – beispielsweise die Strahlentherapie - fundamental verändern, sind sich Physiker und Chemiker der Uni Rostock, des Münchner Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ), der Ludwig Maximilians Universität in München sowie der Freien Universität Berlin einig.

Die Forscher, die dieses Zusammenspiel aus Licht und Materie untersuchten, ließen starke Laserpulse mit winzigen Nanoglaskügelchen interagieren, die aus mehreren Millionen Atomen bestehen.

Sie konnten erstmals zeigen, dass man innerhalb einer ultrakurzen Zeit - und zwar innerhalb von Attosekunden - den Linseneffekt eines solchen Glaskügelchens ausnutzen kann, um die Richtung elektronischer Bewegung zu steuern.

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Ein Laie kann sich das folgendermaßen vorstellen: Das Licht, das auf die Glaskügelchen trifft, wird ähnlich wie bei einer Linse auf einen kleinen Flecken konzentriert. Je nach Form des Laserpulses bzw. der Lichtwelle kann entschieden werden, ob oberhalb oder unterhalb der Kugel schnelle Elektronen austreten. „Die Emission von Elektronen selbst ist wie eine Art Ping-Pong-Spiel an der Oberfläche der Nanokügelchen, auf die das Licht in Form einer Welle trifft“, erklärt der Rostocker Physiker Prof. Dr. Thomas Fennel. Attosekunden-Nanophotonik nennt sich dieses Forschungsgebiet, das ein Kernbestandteil des Forschungskomplexes zu den Themen Licht und Materie am Rostocker Institut für Physik ist.

Was bedeutet das für die Anwendung in der Praxis? „Es ist ein breites Wissenschaftsgebiet - Medizin und Informationstechnik sind die beiden großen Bereiche, die von den Forschungsergebnissen künftig in hohem Maße profitieren könnten.“ Beispiel Krebsbehandlung mittels Ionenstrahlentherapie: „Vereinfacht ausgedrückt geht es im Grunde darum, energiereiche Teilchen mit Licht gezielt in eine gewünschte Richtung zu beschleunigen“, erläutert Fennel. „Letztlich ist dadurch denkbar, dass ein stark gerichteter Ionenstrahl gezielt die Tumoren zerstört und das umliegende Gewebe intakt bleibt.“

Es ist nach Einschätzung der Wissenschaftler zudem vorstellbar, dass die Kombination aus starken Lichtpulsen und Nanoteilchen zu einem wichtigen Baustein für die Elektronik der Zukunft werden könnte. Mit der sogenannten lichtwellengesteuerten Elektronik wäre man in der Lage, Datenübertragung und Speicherung mit der Frequenz von Lichtwellen (rund 1015 Schwingungen pro Sekunde) zu betreiben. Das wäre in etwa 100000 Mal schneller als gegenwärtig möglich ist.

Kontakt:
Universität Rostock
Prof. Dr. Thomas Fennel
Arbeitsgruppe „Theoretische Clusterphysik und Nanophotonik“
Institut für Physik
E-Mail: thomas.fennel@uni-rostock.de
www.uni-rostock.de

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