ERC Starting Grants – Millionenförderung für LMU-Physiker

Projekt von Alexander Högele

Daten werden immer häufiger in Form von Lichtbündeln über Glasfasernetze transportiert. In Zukunft könnten einzelne Lichtteilchen (Photonen) diese Aufgabe übernehmen und eine abhörsichere Quantenkommunikation ermöglichen. Diese Lichtimpulse müssten nach dem Transport in elektrische Signale zurückgewandelt werden, indem sie kontrolliert Elektronen in einem Halbleitermaterial anregen. Wie das aussehen könnte und welche Effekte bei der Wechselwirkung von Licht mit Festkörpern sonst relevant sind, untersuchen Wissenschaftler derzeit mit Hilfe von Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren.

Alexander Högele und seine Mitarbeiter produzieren ihre eigenen Nanoröhren, die sie optimal an verschiedene Versuche anpassen können. Dabei handelt es sich um einwandige Zylinder von rund einem Nanometer im Durchmesser, deren Wand aus einer Atomlage von regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht. Um optische Anregungen in einzelnen Nanoröhren möglichst störungsfrei zu untersuchen, haben die Forscher, einer Hängebrücke gleich, Röhren mit freitragenden Bereichen von einigen Mikrometern Länge hergestellt. Sie konnten nachweisen, dass die Elektronen im Halbleitermaterial unter diesen Bedingungen nach der Absorption von Photonen außergewöhnlich lange angeregt bleiben. Anschließend fallen sie regulär unter Lichtemission in das „Loch“ in der Atomhülle zurück, das sie hinterlassen haben. Durch diese lange Trennungsphase lassen sich die Absorptions- und Emissionsspektren der Nanoröhren scharf unterscheiden und für hochpräzise optische Spektroskopiemethoden nutzen.

In Zukunft möchten die Physiker die Kopplung zwischen Licht und den Elektron-Loch-Paaren (Exzitonen) dazu nutzen, um auch mechanische und magnetische Freiheitsgrade von halbleitenden Nanoröhren zu untersuchen. Das Exziton soll dabei als eine Art Bindeglied zwischen den elementaren Anregungen von Licht und Festkörper fungieren, also die Kopplung zwischen Photonen und Spins (elementare magnetische Anregungen) beziehungsweise Phononen (elementare mechanische Anregungen) vermitteln. Die Experimente sollen unter anderem die Grundlagen für die Verwendung von Nanoröhren in Zukunftstechnologien wie Quantenkryptographie und Quantenmetrologie erarbeiten.

Alexander Högele studierte Physik an der Ruprecht–Karls–Universität Heidelberg und an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Dort schloss er 2005 seine Promotion ab und arbeitete von 2006 bis 2008 als Postdoc am Institut für Quantenelektronik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich. Seit 2008 ist Alexander Högele Juniorprofessor für Experimentalphysik an der LMU.

Projekt von Tim Liedl

Wer versucht, in einem Bach einen Fisch zu fangen, wird schnell feststellen, dass dieser sich nicht dort befindet, wo unsere Augen ihn wahrnehmen. Die Ursache dafür ist, dass das Licht beim Eintreten in das Wasser und beim Heraustreten gebrochen wird. Während in der Natur nur Materialien mit einem positiven Brechungsindex existieren, entwickeln Wissenschaftler derzeit künstliche Strukturen, die Licht auch negativ, das heißt über das Lot hinaus, brechen sollen. Die Bausteine dieser sogenannten Metamaterialien müssen jedoch kleiner als 100 Nanometer sein. Daher arbeiten die Fachleute mit künstlichen DNA-Strängen und metallischen Nanopartikeln, die sich von selbst zu optisch aktiven Nanostrukturen zusammensetzen.

Tim Liedl und seine Mitarbeiter sind Spezialisten in der sogenannten DNA-Origami-Technik. Als wären sie mit Magneten versehen, falten sich dabei DNA-Bausteine in vorgegebene dreidimensionale Strukturen. Vor Kurzem ist es den Physikern gelungen, diese definiert mit Goldpartikeln zu besetzen und damit eine erste wichtige Eigenschaft von Licht zu verändern: die Polarisation. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich DNA-Origami-Strukturen in Kombination mit Metallpartikeln grundsätzlich dazu eignen, optische Parameter gezielt einzustellen.

Die Physiker wollen nun diese Nanostrukturen unter anderem zu einem Metamaterial mit negativem Brechungsindex weiterentwickeln. In Kombination mit den bestehenden positiv brechenden Materialien ließen sich so beispielsweise optische Systeme wie Mikroskope, Solarzellen oder Lichtleiter fundamental verbessern. Ein anderer Aspekt des Projektes beschäftigt sich mit der Frage, ob optisch aktive Metamaterialien als sensible Sensoren für Viren oder spezielle Zell-Marker eingesetzt werden können.

Tim Liedl studierte Physik an der LMU München und promovierte dort in der Gruppe von Friedrich C. Simmel. 2007 bis 2009 arbeitete er als Postdoc bei William M. Shih am Dana-Farber Cancer Institute der Harvard Medical School in Boston, USA. Seit 2009 ist Tim Liedl Professor für Experimentelle Physik an der LMU München.