[Translate to DE:] Paul Roth, Alexander Mikhaylov, Tomás Santiago-Cruz. Photo: MPL

Paul Roth OSA Student Prize at CLEO/Pacific Rim 2020

Eine Fachprogrammausschuss der Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)/Pacific Rim 2020 hat Paul Roth mit dem OSA Student Prize für seinen Beitrag “Supercontinuum Generation with Circularly Polarized Vortex Modes in a Chiral Three-Core PCF” ausgezeichnet.

Ein Superkontinuum wird dadurch erzeugt, dass Laserlicht mit einem relativ schmalen Wellenlängenbereich durch nichtlineare optische Effekte dramatisch verbreitert wird. Dies geschieht zum Beispiel in Photonischen Kristallfasern. Dieses Licht wird in Mikroskopie- und Spektroskopieverfahren, optischer Kohärenztomographie sowie in hochpräzisen optischen Uhren genutzt. Allerdings stellt es eine besondere Herausforderung dar, ein Superkontinuum zu erzeugen, dessen Licht zirkular polarisiert ist, also der Vektor des elektrischen Feldes in Abhängigkeit der Zeit rotiert.

Paul Roth, inzwischen Postdoc in der Emeritus-Gruppe Russell, und seinen Kolleg*innen ist es gelungen eine chirale photonische Kristallfaser mit einem dreifach-rotationssymmetrischen Kern herzustellen. Mithilfe dieser Kristallfaser lässt sich zirkular polarisierte Zustand des Lichts sehr gut erhalten, so dass das Superkontinuum, das durch diese Faser erzeugt wird, über das gesamte Spektrum zirkular polarisiert ist. Dieses Licht findet Anwendung in der Spektroskopie chiraler Moleküle wie beispielsweise Proteine und bei der optischen Manipulation kleinster Teilchen.

Alexander Mikhaylov, bestes Poster / Heraeus Seminar “Sensing with Quantum light”

Alexander Mikhaylov hat im Rahmen des Heraeus Seminars „Sensing with Quantum Light“ den Preis für das beste Poster erhalten. Sein Thema: „Two-photon excitations with time-energy entangled photon pairs“.

Mithilfe der Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie lassen sich zelluläre Strukturen vielfältig untersuchen. Das gilt insbesondere für Zellschichten tief im Gewebe, die für die klassische Lichtmikroskopie nicht zugänglich sind. Dabei regen zwei Lichtteilchen (Photonen) niedriger Energie, die nahezu gleichzeitig auf der Probe eintreffen müssen, ein Molekül so an, dass es ein weiteres Photon aussendet – es fluoresziert. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf Eigenschaften verschiedener Zellstrukturen, wie beispielsweise Zellen des Immunsystems, der Lymphknoten aber auch von Tumorzellen. Da aber die anregenden Photonen nur sehr selten gleichzeitig ein Molekül erreichen, ist für die Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie sehr intensives Laserlicht erforderlich. Das kann allerdings das untersuchte Zellmaterial schädigen.

Alexander Mikhaylov und seine Kolleg*innen aus der Forschungsgruppe um Maria Chekhova setzen daher auf das Prinzip der verschränkten Photonen. Diese Lichtteilchen sind quantenmechanisch gepaart, wodurch ihre Eigenschaften, wie die beiden Seiten einer Medaille, untrennbar miteinander verbunden sind.

„Die grundlegende Idee ist schon seit vielen Jahren bekannt und das eigentliche Experiment vergleichsweise unkompliziert“ erläutert Alexander Mikhaylov. Doch sei es sehr schwierig verschränkte Photonen tatsächlich zu messen. Weltweit haben einige Gruppen großes Aufsehen erregt, mit der Behauptung, durch den Einsatz verschränkter Photonen eine erhebliche Signalsteigerung zu erreichen. Jedoch blieben dabei einige fundamentale, aber experimentell äußerst relevante Fragestellungen unbeantwortet, welche über die Anwendbarkeit dieser Methode entscheiden.

Alexander Mikhaylov und seine Kolleg*innen aus den USA (NIST und CU Boulder) untersuchen wie genau ein Molekül zwei verschränkte Photonen absorbiert und ein einzelnes wieder abgibt. Dabei weisen sie auf verschiedene Mechanismen hin, die das eigentliche Signal der verschränkten Photonen überdecken können. Er erklärt weiterhin: „Wir geben einige Beispiele für Untersuchungen, die zusätzlich gemacht werden sollten, um diese Störungen zu erkennen und sicherzustellen, dass das Signal, das vermeintlich mit verschränkten Photonen gemessen wird, auch wirklich von diesen stammt. Obwohl wir momentan eher vorsichtig sind, was die Prognose betrifft diese Methode zeitnah in der Praxis einzusetzen, hoffen wir, dass unsere Arbeit Interesse an diesem Forschungsfeld weckt und weitere Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie und Biologie ermöglicht.“

Tomás Santiago-Cruz, bester studentischer Vortrag beim Jahrestreffen der European Optical Society

Tomás Santiago-Cruz hat den Preis für den besten studentischen Vortrag im Rahmen der Jahrestagung der European Optical Society für seinen Beitrag „Spontaneous photon pair generation in nonlinear metasurfaces“ erhalten.

Metaoberflächen bieten nie dagewesene Möglichkeiten die Eigenschaften von Licht, wie Ausbreitungsrichtung, Polarisation oder Wellenlänge, zu beeinflussen. Sie erlauben es, optische Bauteile deutlich zu verkleinern, die angefangen in der Lichtmikroskopie über medizinische Diagnoseverfahren bis hin zu mobilen Endgeräten für Verbraucher Anwendung finden. Je nach Anwendung, können diese Oberflächen aus verschiedensten Materialen bestehen. Es handelt sich dabei jedoch immer um extrem dünne Filme, kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Zudem weisen diese Filme Strukturen auf, die nur wenige Nanometer groß sind, wodurch Metaoberflächen die Eigenschaften des einfallenden Lichts beeinflussen können. So ersetzen sie nach und nach große optische Linsen, die für immer kleiner werdende Endgeräte immer schwerer herzustellen und auszurichten sind.

Tomás Santiago-Cruz und seine Kolleg*innen in der unabhängigen Forschungsgruppe von Maria Chekhova erforschen eine bestimmte Anwendung von Metaoberflächen. Sie erzeugen mit deren Hilfe gepaarte Photonen. Dies sind zwei Lichtteilchen, deren Eigenschaften wie die beiden Seiten einer Medaille untrennbar miteinander verknüpft sind. Den Forschern ist es gelungen, feinstrukturierte Metaoberflächen aus Lithiumniobit herzustellen, die die Photonen eines einfallenden Lichtstrahls spontan in gepaarte Photonen aufspalten. Diese gepaarten Photonen sind von großem Interesse für die Quantenkryptografie und auch für verschiedenen Mikroskopieverfahren. Den Forschern ist es dabei gelungen, die Ausbeute der gepaarten Lichtteilchen um zwei Größenordnungen zu steigern sowie das Spektrum des erzeugten Lichts zu steuern.