Quantensensorik im mittleren Infrarot: Weltrekorde bei verschränkten Photonen
Ein neuer Blick auf die Welt mit Quantenlicht
Im Projekt wurde eine völlig neue Art der Messung weiterentwickelt, die auf den seltsamen Gesetzen der Quantenphysik beruht. Forschenden gelang es, quantenverschränkte Photonenpaare mit ganz besonderen Wellenlängen zu erzeugen – Lichtteilchen, die auf besondere Weise miteinander verbunden sind und sich wie ein einziges Quantensystem verhalten, selbst wenn sie räumlich getrennt werden. Mit dieser Technologie konnte der Messbereich in den mittleren Infrarotbereich erweitert werden, der in der Wissenschaft als "Fingerabdruck-Region" bekannt ist, weil fast alle Moleküle dort ihre ganz charakteristischen Signaturen absorbieren.
Zwei Weltrekorde in einem Projekt
Das Projekt verfolgte erfolgreich zwei große Ziele. Zum einen gelang es weltweit erstmals, mit einem speziellen opGaP-Kristall verschränkte Photonenpaare im Wellenlängenbereich von 5 bis 10 Mikrometern effizient zu erzeugen. Dieser Spektralbereich ist besonders wertvoll, weil hier viele biologische und chemische Substanzen wie Proteine, Kunststoffe oder Medikamentenmoleküle ihre einzigartigen "Fingerabdrücke" hinterlassen. Das zweite Kernziel betrifft die Helligkeit der erzeugten Quantenlichtquelle. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erreichten zunächst mehr als 10 Milliarden Photonenpaare pro Sekunde – ein Weltrekord für diese Wellenlängenkombination. Durch den Einsatz eines speziellen Optik-Resonators steigerten sie diese Zahl anschließend auf etwa 1 Billion Photonenpaare pro Sekunde. Damit haben sie die hellste bekannte Quelle verschränkter Photonen im mittleren Infrarot geschaffen.
Von der Grundlagenforschung zur praktischen Anwendung
Die entwickelten Techniken sind nicht nur für die Grundlagenforschung relevant, sondern haben bereits konkrete Anwendungen gefunden. Mit der Quantenlichtquelle gelang die erste erfolgreiche Detektion von Mikroplastikpartikeln kleiner als 6 Mikrometer – ein dringendes Umweltproblem, das mit herkömmlichen Methoden nur sehr aufwändig zu erfassen ist. Darüber hinaus wurde demonstriert, dass sich mit dieser relativ preiswerten und kompakt aufbaubarenTechnologie sehr schnelle Spektroskopiemessungen im Tausend-Hertz-Bereich durchführen lassen. Perspektivisch könnte die Technologie auch in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden, etwa für die Analyse von Gewebeproben. Die Quantensensorik verspricht hier eine deutlich höhere Empfindlichkeit als klassische Messverfahren, weil sie die natürlichen Grenzen herkömmlicher Lichtquellen umgehen kann.
Herausforderungen und Erfolge
Der Projektverlauf war von erheblichen technischen Herausforderungen geprägt. Ein großer Rückschlag trat ein, als der weltweit einzige Hersteller der im projekt eingeplanten opGaAs-Kristalle die Produktion einstellte. Die Forschungsteams mussten den gesamten experimentellen Ansatz neu konzipieren und gelangten schließlich zu einer kreativen Lösung durch Kooperation mit einer Arbeitsgruppe in Edinburgh. Auch bei der Optimierung der Kristalle traten unerwartete Probleme auf, etwa thermische Effekte und Absorption im mittleren Infrarot. Durch ein gezieltes Redesign auf kürzere Kristalllängen konnten diese Probleme weitgehend gelöst werden.
Ausblick und Weiterentwicklung
Das Projekt hat wesentliche Grundlagen für zukünftige Anwendungen geschaffen. Mehrere wissenschaftliche Publikationen zu den erzielten Ergebnissen sind in Vorbereitung. Für die Weiterentwicklung wurde eine Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut IOSB in Ettlingen aufgebaut, wo die Herstellung neuer Kristalltypen (opGaAs) möglich ist. Obwohl das ultimative Ziel des "High-Gain-Regimes" noch nicht vollständig erreicht wurde, wurden die entscheidenden Wege dafür klar identifiziert und erste vielversprechende Simulationen durchgeführt. Dieses Projekt zeigt eindrucksvoll, wie Grundlagenforschung mit konkreter Anwendungsorientierung Hand in Hand gehen kann – ein Kernanliegen der Einstein-Stiftung Berlin. Die entwickelten Quantentechnologien haben das Potenzial, zukünftig Umweltschutz, medizinische Diagnostik und chemische Analytik auf ein neues Niveau zu heben.