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Glasfasern, dünner als das Licht

Im Portrait: Professor Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der TU Wien

 

Prof. Arno Rauschenbeutel

Prof. Arno Rauschenbeutel

Prof. Arno Rauschenbeutel

Prof. Arno Rauschenbeutel

Ein Ozeandampfer kann nicht durch einen Gebirgsbach fahren, und einen Tennisball kann man nicht durch einen Gartenschlauch pumpen. Wenn es um Licht geht, liegen die Dinge allerdings anders: Licht lässt sich durch Glasfasern leiten, die deutlich dünner sind als die Lichtwellenlänge selbst. Auf diese Weise kann man Licht bündeln und zur äußerst präzisen Detektion von Teilchen benützen. Arno Rauschenbeutel, seit Juli 2010 Professor für angewandte Quantenphysik am Atominstitut, beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Licht und Materie auf mikroskopischer Skala. Mit Hilfe ultradünner Glasfasern gelingt es ihm, winzige Mengen von Atomen und Molekülen aufzuspüren.

Dünner als die Wellenlänge erlaubt

Glasfaserkabel gehören heute zu unserem Alltag – Internet und Telekommunikation wären ohne sie kaum denkbar. Im Inneren der Glasfaser wird das Licht immer wieder reflektiert und kann nicht entweichen. Auf diese Weise wandert das Signal entlang der Faser weiter. „Durch Erhitzen und Strecken kann man eine Glasfaser allerdings verjüngen, bis sie nur noch einen Durchmesser von weniger als einem Tausendstel Millimeter hat“, erklärt Arno Rauschenbeutel. Die Lichtwelle wird dann immer noch entlang der Faser geführt, ragt aber ein Stück aus ihr heraus.

Intensiv wie fokussiertes Laserlicht

Das Licht wird in den Glasfasern genauso stark gebündelt wie Laserstrahlen, die mit einer Linse fokussiert werden. Doch wenn man Licht mit Hilfe von Linsen bündelt, ist die Intensität nur am Brennpunkt der Linse extrem hoch – dahinter verbreitert sich der Strahl wieder. In den ultradünnen Glasfasern hingegen kann die Intensität entlang eines längeren Faserabschnittes sehr hoch gehalten werden, wie Rauschenbeutel betont: „In den Glasfasern haben wir also einen kontinuierlichen Fokus – im Gegensatz zum Licht mit Linse, das nur an einem einzigen Brennpunkt die maximale Intensität erreicht.“ Diese hohe Lichtkonzentration macht die Glasfaser zu einem idealen Mini-Labor zur Untersuchung von Atomen und Molekülen.

Die Glasfaser als Teilchendetektor
Nachdem die Lichtwelle ein Stück aus der Glasfaser herausragt, kann sie von Teilchen außerhalb der Glasfaser gestört und absorbiert werden. Wie gut das Licht durch die ultradünnen Glasfasern geleitet wird, hängt also davon ab, ob sich rund um die Glasfaser Teilchen anlagern. Durch jede Kollision mit einem Teilchen geht Licht verloren, die Helligkeit des Signals, das am Ende der Glasfaser ankommt, wird geringer. „Das bedeutet, dass wir einen hochsensiblen Teilchensensor haben, wenn wir die Helligkeit des Lichtsignals messen“, sagt Arno Rauschenbeutel. Unterschiedliche Teilchen filtern unterschiedliche Anteile des Lichtes heraus – wenn man also weißes Licht in die Glasfaser schickt und die Farben untersucht, die am Ende der Faser herauskommen, kann man daraus auf die Teilchen schließen, die mit dem Licht in Kontakt gekommen sind.

Rekordverdächtige Empfindlichkeit
Wenn ein Lichtstrahl durch die Fensterscheibe dringt und an einem Staubteilchen gestreut wird, hat das keine besonders großen Auswirkungen – schließlich wird jedes Staubkorn nur von einem kleinen Teil des Lichts getroffen. In der Glasfaser kann Arno Rauschenbeutel die gesamte Lichtwelle dagegen mit allen Teilchen wechselwirken lassen: „Wir können Atome oder Moleküle wie eine Perlenkette an der Glasfaser anlagern. Die Lichtwelle muss an jedem einzelnen von ihnen vorbei – damit wird ihre Wirkung vervielfacht.“ Bei Raumtemperatur reicht es aus, wenn knapp ein Promille der Glasfaser-Oberfläche von Teilchen bedeckt ist, um sie zu detektieren und zu untersuchen. „Wir konnten minimale Molekülkonzentrationen messen – unter Raumbedingungen ändern schon 200 000 Moleküle unser Lichtsignal signifikant, das ist weltweit einzigartig“, berichtet Arno Rauschenbeutel.

Noch viel empfindlicher wird die Methode, wenn man die Glasfaser stark abkühlt, oder wenn man die Teilchen dazu bringt, knapp über der Glasfaseroberfläche zu schweben, ohne sich dort direkt anzulagern. Durch technische Tricks können sie etwa hundert Nanometer von der Glasfaser entfernt eingefangen werden. Sie treten dann noch immer mit der Lichtwelle in Wechselwirkung, die aus der Glasfaser hervorragt, werden aber nicht durch thermische Schwingungen der Glasfaseroberfläche gestört. „Auf diese Weise lassen sich sogar wenige Dutzend Teilchen detektieren“, erzählt Rauschenbeutel. Prinzipiell sollte es auf diese Weise sogar möglich sein, einzelne Moleküle aufzuspüren.

Internationale Karriere

Arno Rauschenbeutel studierte in Düsseldorf, London und Bonn, seine Doktorarbeit schrieb er an der Ecole normale supérieure in Paris. Danach kehrte er als Assistent nach Bonn zurück. „Ganz zufällig hatte ich dort einen Kollegen, der an dünnen Glasfasern arbeitete“, erzählt Rauschenbeutel – und so kam ihm der Gedanke, der seine wissenschaftliche Laufbahn entscheidend bestimmen sollte: Die Idee, mit solchen Glasfasern Atome zu untersuchen. Als kurze Zeit später ein Kollege aus Russland genau dasselbe Experiment vorschlug, wurde es in den Bonner Laboren bereits aufgebaut. „Manchmal ist die Zeit einfach reif für eine bestimmte Technologie – dann kommen verschiedene Leute auf denselben Gedanken“, meint Rauschenbeutel, „wir hatten das Glück, die ersten zu sein.“ Und obwohl das Interesse für Rauschenbeutels Glasfasern international sehr groß ist, hat es bisher noch keine andere Gruppe geschafft, die Experimente in der selben Art nachzubauen.

„Eine internationale Community in diesem Bereich entwickelt sich gerade erst, wir haben da einige Forschungsaktivität ausgelöst“, meint Arno Rauschenbeutel. „Uns freut das natürlich – wir beliefern andere Gruppen mit Glasfasern und mit Know-How.“ Angst vor übermäßig starker Konkurrenz hat Rauschenbeutel dabei nicht: „Wir haben hier einen großen Vorsprung, uns kann es nur recht sein, wenn sich andere Forschungsgruppen mit ähnlichen Dingen beschäftigen. Das Gebiet ist sicher groß genug für viele verschiedene Experimente.“

Begeisterter Wiener
Sein Forschungserfolg brachte Arno Rauschenbeutel nicht nur Wissenschaftspreise sondern auch eine Professur an der Universität Mainz ein. Nach vier Jahren wechselte er dann ans Atominstitut der TU Wien. Für seinen Wechsel nach Wien gab es mehrere Gründe: „Die Forschungsbedingungen hier sind ausgezeichnet“, betont Rauschenbeutel. „Die Ausstattung, die Laborräume, das Umfeld, das ich zur Verfügung habe, wäre anderswo kaum zu bekommen.“ Wien sieht Rauschenbeutel heute als ein international wichtiges Zentrum der Quantenphysik: „Hier gibt es hochkarätige Kolleginnen und Kollegen, mit denen man sich austauschen kann – und es ist nie ein Problem, Spitzenleute aus dem Ausland zu einem Besuch in Wien zu überreden.“ Nicht nur das wissenschaftliche Umfeld, sondern auch die Lebensqualität schätzt er hier: Für Rauschenbeutel ist Wien eine Stadt, in der soziale Schwierigkeiten und Wohnkosten im Gegensatz zu größeren Metropolen kein wirkliches Problem sind, in der aber trotzdem ein vielfältiges Angebot von Möglichkeiten herrscht, das man in kleineren Provinzstädten nicht hätte. Langweilig würde Arno Rauschenbeutel aber vermutlich ohnehin nirgends: „Mein liebstes Hobby? Das ist die Physik“, meint er.