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Sind Photonen die besseren Elektronen?

Zwischen Laserlicht und Halbleiterforschung: Am Institut für Photonik wird wissenschaftliches Neuland beschritten. Professor Karl Unterrainer erzählt über die Forschungsgebiete seines Institutes.

Markus Kitzler im Laserlabor

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Markus Kitzler im Laserlabor

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Karl Unterrainer

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Karl Unterrainer

Karl Unterrainer

Karl Unterrainer

"Das einundzwanzigste Jahrhundert könnte das Jahrhundert der Photonen werden", meint Professor Karl Unterrainer. Er ist Vorstand des Instituts für Photonik an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien. Immer wieder hat dieser Forschungsbereich in den letzten Jahren für internationales Aufsehen gesorgt: An der TU Wien werden Grundlagen der Lasertechnik erforscht, mit ultrakurzen Laserpulsen werden Phänomene auf atomarer Skala untersucht. So lassen sich neuartige Materialien analysieren, hochsensible Sensoren bauen und neue Erkenntnisse über die Fundamente der Quantenmechanik gewinnen.

Jeder Fotograf weiß: Rasch ablaufende Ereignisse muss man auf kurzen Zeitskalen abbilden. Fotografiert man einen vorbeirasenden Rennwagen mit einer langen Belichtungszeit, sieht er verschwommen aus. Atomare Prozesse, etwa das Herausreißen eines Elektrons aus dem Atom, laufen in unvorstellbar kurzer Zeit ab. Um solche Vorgänge zu untersuchen, muss man bis zur Größenordnung von Attosekunden vordringen – zu Milliardsteln einer Milliardstelsekunde. Das Institut für Photonik war das erste Institut weltweit, an dem es gelang, ultrakurze Laserpulse in Attosekunden-Größenordnung zu erzeugen. Seither ist die Attosekundenforschung zu einem weltweit höchst beachtetens Forschungsgebiet geworden. Die Forschungsgruppen der TU Wien spielen dabei nach wie an vorderster Front mit.

Berg und Tal

Will man maßgeschneiderte Laserpulse produzieren, benötigt man Kontrolle über die Phase des Laserlichts. Eine Lichtwelle ist eine Abfolge von Wellenbergen und Wellentälern. Der Wechsel zwischen Wellenberg und Wellental geht aber so schnell vor sich, dass die momentane Phase des Lichtes im Alltag keine Bedeutung hat. Ist der Laserpuls aber so kurz, dass er nur noch aus wenigen Wellenbergen und -tälern besteht, ist das Wissen und die Kontrolle über die Wellen-Phase unerlässlich.

Karl Unterrainer im Gespräch:

Attosekundenforschung gehört zu Wissenschaftsgebieten, denen heute besonders viel Beachtung zukommt. Ist das ein Modetrend oder eine Entwicklung, die sich noch fortsetzen wird?
Es ist viel mehr als ein Modetrend, das Anwendungsgebiet ist sehr groß. Das Erreichen der Attosekunden-Skala im Jahr 2002 galt damals als einer der großen wissenschaftlichen Durchbrüche. Ferenc Kraus, damals Professor bei uns am Institut für Photonik, konnte als erster Laserpulse mit einer Dauer von weniger als einer Femtosekunde erzeugen und damit in den Attosekunden-Bereich vordringen. Seither hat sich das Gebiet noch deutlich weiterentwickelt. Anfangs wandte man die neuen Möglichkeiten auf Fragestellungen der Atomphysik an, mittlerweile sind auch Untersuchungen in der Festkörperphysik möglich. An neuen, ambitionierten Forschungszielen fehlt es nicht.

Ferenc Kraus hat das Institut 2004 verlassen und arbeitet heute in München. War es schwer, trotz dieses Abgangs an der Weltspitze mit dabei zu bleiben?
Hätte man die falschen Leute berufen, wäre das sicher nicht möglich gewesen. Zum Glück wurde diese Stelle rasch prominent nachbesetzt: Professor Andrius Baltuska kam damals zu uns, konnte ein ausgezeichnet eingerichtetes Labor übernehmen und weiter ausbauen. Seine Forschungserfolge zeigen, dass wir nach wie vor auf dem richtigen Weg sind. Letztes Jahr wurde er sogar mit dem renommierten ERC-Grant ausgezeichnet.

Sie selbst haben sich den Terahertzlasern zugewandt. Was ist das Besondere an dieser Art von Strahlung?
Die moderne Optik und Elektronik bieten uns Strahlungsquellen über einen riesigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Allerdings gibt es eine Lücke zwischen dem Mikrowellen-Bereich und optischen Lasern in der Größenordnung von 0.1 bis 100 Terahertz, in dem es schwer ist, Laserstrahlung zu erzeugen. Wir haben uns trotzdem genau auf diesen Bereich spezialisiert, weil er faszinierende Anwendungsmöglichkeiten bietet, zum Beispiel in der Sensorik. In diesem Bereich treffen die Laserwissenschaft und die Halbleitertechnik unmittelbar aufeinander, die Photonik trifft auf die Elektronik. Hier kann man echte Pionierarbeit leisten, auf einem Gebiet, das wissenschaftlich noch recht unerschlossen ist. Wir stoßen auf ganz neue Möglichkeiten, Licht mit Materie wechselwirken zu lassen.

Eine Frage, die im Zusammenhang mit Spitzenforschung immer wieder gestellt wird: Wie wichtig ist die finanzielle Ausstattung für den wissenschaftlichen Erfolg?
Es kommt immer in erster Linie auf die Personen an. Wir werden nicht mit Geld überhäuft, aber wir haben hier eine Reihe von Personen, die gut zusammenarbeiten, und wenn nötig auch mal das eigene Ego zurückstellen. Ohne Kooperation zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen geht es nicht – so viel Geld haben wir in Österreich einfach nicht. Das Institut für Photonik kooperiert sehr erfolgreich mit anderen Forschungsteams der TU Wien – etwa mit Professor Gottfried Strasser vom Institut für Festkörperelektronik oder der Gruppe von Professor Joachim Burgdörfer am Institut für Theoretische Physik. Im Rahmen des großen SFB-Forschungsprojektes ADLIS konnten wir eng zusammenarbeiten und gemeinsam sehr schöne neue Impulse auf dem Gebiet der Laserforschung setzen. Im Rahmen des Spezialforschungsbereichs (SFB) "Infrared Optical Nanostructures" wird die Zusammenarbeit durch ein Kollaboration mit dem Centre "MIRTHE" der amerikanischen National Science Foundation auch auf die internationale Ebene erweitert.  

Wenn ich in zwanzig Jahren in ein Elektronik-Fachgeschäft gehe, welche Produkte werde ich dann kaufen können, die auf Ihren Forschungen beruhen?
In zwanzig Jahren wird das Elektronikgeschäft wohl ein Photonikgeschäft sein. Ich bin sicher, dass es viele Geräte geben wird, die auf Photonik-Forschung beruhen – im Kommunikationsbereich oder auch in der Sensorik. Vielleicht gibt es dann Handys, mit denen man jederzeit die Umgebung chemisch untersuchen kann, mit der gleichen Selbstverständlichkeit mit der man heute die Umgebungstemperatur misst. Die Grundlagenforschung hat hier sicher viel für die praktische Technologie beizutragen, und ich glaube gar nicht, dass wir darauf noch ganze zwanzig Jahre warten müssen.