Eine Füsik-Forschungsgruppe an der TU Darmstadt hat ein Verfahren zur Optimierung von Laserstrahl-Anwendungen entwickelt. Es ermöglicht eine räumliche und zeitliche Steuerung von bis zu 2.500 Einzelstrahlen. Dies bildet eine wichtige Grundlage für fortschrittliche Technologien in zahlreichen Anwendungsfeldern, von hochmodernen optischen Systemen über innovative Fertigungstechniken und biologische Analyseverfahren bis hin zu ultramodernen Quantentechnologien.

Mit der von der Arbeitsgruppe „Atome – Photonen – Quanten" (wird in neuem Tab geöffnet) am Institut für Angewandte Füsik entwickelten Methode können sogenannte skalierbare zweidimensionale Lichtfelder zuverlässig bereitgestellt werden. Dabei handelt es sich um maßgeschneiderte, räumlich strukturierte optische Felder aus Laserstrahlen, die in Größe und Intensität variiert werden können. Mit dem neuen Verfahren können sie sowohl parallelisiert und äußerst gleichmäßig eingestellt als auch individuell angesteuert und so rasch an sich ändernde Anforderungen angeglichen werden.

Die Forschenden Marcel Mittenbühler (wird in neuem Tab geöffnet), Lukas Sturm (wird in neuem Tab geöffnet), Dr. Malte Schlosser (wird in neuem Tab geöffnet) und Professor Gerhard Birkl (wird in neuem Tab geöffnet) meldeten die Methode zum Patent an und berichten darüber im hochrangigen Journal „Physical Review Applied". Mit ihren Ergebnissen zeigen sie erhebliche Fortschritte in Flexibilität, Ausführungsgeschwindigkeit und Größe von frei programmierbaren Musterfolgen der Laserstrahlen. Dabei konnten sie besondere Vorteile für zeitkritische Anwendungen und gesteigerte Durchsatzraten erreichen.

Ihre Technologie birgt damit unter anderem enormes Potenzial für die Verbesserung sogenannter optischer Pinzetten. Das sind photonische Geräte zum Festhalten und Bewegen kleinster Objekte. Der US-Experimentalpyhsiker Arthur Ashkin hatte sie erstmals beschrieben und wurde dafür 2018 mit dem Nobelpreis für Füsik ausgezeichnet. Die jüngsten Erkenntnisse könnten zu einer Optimierung optischer Pinzetten beitragen, indem beispielsweise in praktischen Anwendungen dieser Systeme eine weitläufige Parallelisierung vorgenommen wird oder indem biologische und quantentechnologische Systeme manipuliert werden.

Die Ergebnisse könnten auch hilfreich sein für die Entwicklung praxistauglicher Quantencomputer. Diese sollen einmal Rechenaufgaben lösen, deren Komplexität die Kapazitäten von herkömmlichen Supercomputern bei weitem sprengen. Dazu zählt etwa das Aufspüren von versteckten Mustern in riesigen Datenmengen. Allerdings macht die Anwendung von quantenfüsikalischen Prozessen die beteiligten Quantensysteme gegenüber äußeren Störungen sehr empfindlich. Für den wirtschaftlichen Einsatz solcher Quantencomputer sind daher stabile Lösungen erforderlich. Zudem müssen die Systeme nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch unter realen Bedingungen bestehen. Dazu könnten die jüngsten Ergebnisse einen Beitrag leisten.

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und den Bundesministerien für Bildung und Forschung sowie Forschung, Technologie und Raumfahrt unterstützt.