JKU-Physiker verbessert Mikroskope für Quantenforschung

Fabian Maier von der Johannes Kepler Universität Linz präsentiert am 24. September seine Masterarbeit im Finale des Wilhelm-Macke-Preises. Gemeinsam mit zwei weiteren Finalisten muss er seine wissenschaftliche Arbeit vor Schülern verständlich und spannend darstellen.

Der Physiker hat sich in seiner Arbeit mit konfokalen Mikroskopen beschäftigt. Diese Spezialgeräte werden zur Erforschung von Quantenlichtquellen eingesetzt, die als Bausteine für ein künftiges Quanteninternet gelten. Die Quantentechnologie wird als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts betrachtet.

Störendes Anregungslicht als Problem

Bei der Arbeit mit konfokalen Mikroskopen gibt es ein grundlegendes Problem: Um Quantenlichtquellen wie Quantenpunkte zum Leuchten zu bringen, müssen sie mit einem Laser angeregt werden. Das von der Probe reflektierte Laserlicht ist jedoch deutlich heller als das eigentliche Signal, das gemessen werden soll.

Physiker verwenden daher Polarisationsfilter, um den Laser auszublenden. Das Prinzip funktioniert ähnlich wie bei Polarisationssonnenbrillen, die Spiegelungen auf nassen Straßen filtern. Licht mit einer bestimmten Polarisation wird blockiert, während Licht mit anderer Polarisation durchgelassen wird. Trotz bester Filter gelangt jedoch immer ein kleiner Anteil des Laserlichts zum Detektor.

„Dieser ‚Laserhintergrund' lässt sich nicht vermeiden: Er entsteht automatisch durch die Art und Weise, wie das Licht im Mikroskop gebündelt und von der Probe zurückgeworfen wird. Um extrem scharfe Bilder zu bekommen, muss der Laserstrahl sehr stark zusammengedrückt werden. Dabei verhält sich das Licht nicht mehr wie ein normaler, gerader Strahl: Durch die starke Bündelung und das Abprallen an der Probe wird das Licht quasi ‚verdreht'. Das heißt, seine Polarisation ändert sich“, erklärt Maier.

Ein Teil des veränderten Laserlichts kann dadurch die Schutzfilter des Mikroskops umgehen und gelangt zusammen mit dem Bildsignal hindurch. Das erzeugt ein störendes Hintergrundleuchten, das besonders schwache Signale der Probe schwer erkennbar macht.

Computersimulation bildet Labor nach

Maier entwickelte eine Computersimulation, die die Realität im Labor digital nachbildet. Statt auf Näherungsformeln zu setzen, ermöglichte die Simulation, virtuell an den optischen Komponenten des Mikroskops zu arbeiten und Effekte zu beobachten, die im echten Labor nur schwer zugänglich sind.

Die Arbeit zeigt, dass sich der Laserhintergrund stark reduzieren lässt, indem die Ausleuchtung des Mikroskop-Objektivs manipuliert wird. Eine kontrollierte Veränderung der Laser-Strahlform unterbindet physikalisch die Entstehung des störenden Laserhintergrunds – bestätigt im Labor durch den Einbau und die Justage eines speziellen Teleskopsystems.

Das Ergebnis: ein Mikroskop, das robuster gegen Störungen ist und damit einen nützlichen Vorteil bei der Erforschung von Quantenlichtquellen bietet.

Quelle: https://www.jku.at/news-events/news/detail/news/bessere-mikroskope-fuer-quantenforschung