2012 Februar

Eine Nanolinse zum Vergrößern oder Verkleinern von Lichtspektren

Tuesday, 28th February 2012Ausgewählte Publikationen

Links: Prinzip der Spektrallinse. Ein Lichtpuls wird in die Linse eingebracht, die dessen anfänglich breites Frequenzspektrum (rot dargestellt) zu einem schmaleren Spektrum (blau) komprimiert. Bei diesem Prozess werden die tieferen Lichtfrequenzen (entsprechend den roten Spektralfarben) stärker erhöht als die höheren Frequenzen (blaue Spektralfarben). Rechts: Konstruktion der Spektrallinse. Ein Testpuls wird in einen Lichtleiter eingekoppelt, den man sich als eine fehlende Reihe von Löchern in einer perforierten Siliziummembran vorstellen kann. Dabei dringen die roten Spektralanteile des Lichtpulses tief in die perforierten Bereiche ein, während die blauen Anteile in der Mitte des Lichtleiters konzentriert bleiben. Nun stört ein intensiver Kontrollpuls das Testlicht, allerdings nur dessen rote Spektralanteile, weil die blauen Anteile von einem dünnen Goldstreifen vor dem Kontrollpuls geschützt werden. Infolgedessen werden nur die roten Lichtanteile beeinflusst und zu höheren Frequenzen (d. h. blauen Spektralfarben) verschoben, ganz so, wie im linken Bild dargestellt.

Eine optische Linse wird gewöhnlich dazu benutzt, ein vergrößertes oder verkleinertes Abbild eines Gegenstandes zu erzeugen. Beispielsweise lässt sich mit einer Lupe die Schrift auf einer Briefmarke besser entziffern. Solche herkömmlichen Linsen vergrößern oder verkleinern also räumliche Strukturen. Nun jedoch ist es Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts (FHI) in Berlin, des Instituts für Atom- und Molekülphysik (AMOLF) in Amsterdam und der Universität von St. Andrews (Schottland) gelungen, eine sogenannte Spektrallinse zu konstruieren. Diese Linse ist in der Lage, das Spektrum eines einfallenden Lichtpulses auseinanderzuziehen oder zusammenzupressen (siehe linke Abbildung). So könnte man etwa weißes Licht, das sich aus allen Spektralfarben von Rot bis Blau zusammensetzt, in Licht umwandeln, das nur noch blaue Bestandteile enthält. Dieser Prozess lässt sich umkehren, und zwar ohne Verlust von Information.

Wie funktioniert nun solch eine Spektrallinse? Um das Spektrum eines einfallenden Lichtstrahls zu verkleinern, muss man die Frequenz des Lichts erhöhen, und zwar so, dass die niedrigen Frequenzkomponenten stärker verschoben werden als die hohen (siehe linke Abbildung). „Anschaulich gesprochen muss die Farbe der roten Lichtanteile stärker verändert werden als die der blauen“, erklärt Daryl Beggs vom AMOLF Amsterdam.
Das erreicht man mit einer Siliziummembran, die mit einem Muster von nur wenige hundert Nanometer großen Löchern perforiert ist (Abbildung rechts). In der Mitte der Membran fehlt eine Reihe dieser Löcher, und diese Reihe nutzt man als Lichtleiter mit besonderen Eigenschaften. Er hat eine Länge von nur einer Haaresbreite. Koppelt man nun einen Lichtpuls (Testpuls) in diesen Leiter ein, läuft er entlang der Reihe fehlender Löcher. Interessanterweise bleiben dabei die höheren (blauen) Frequenzen im Zentrum des Leiters konzentriert, während die niedrigen (roten) Frequenzen weit in die angrenzenden, mit Löchern perforierten Bereiche eindringen.

Nun stört man das Licht in dieser Struktur, indem man einen sehr intensiven Lichtpuls, den sogenannten Kontrollpuls, von oben einstrahlt (siehe rechte Abbildung). „Der entscheidende Trick ist dabei, den Kontrollpuls von der Mitte des Lichtleiters und damit von den blauen Lichtanteilen fernzuhalten“, erläutert Tobias Kampfrath vom FHI Berlin. Dies erreicht man mit einem schmalen Goldstreifen, der über dem Lichtleiter aufgebracht wird und den Kontrollpuls in diesem Raumbereich zurückreflektiert. Somit werden nur die roten Lichtanteile vom Kontrollpuls gestört, und ihre Farbe wird in Richtung der blauen Lichtanteile verschoben (siehe linke Abbildung). Mit anderen Worten: Das Spektrum des Lichtpulses wird zusammengedrückt, und man hat eine verkleinernde Spektrallinse konstruiert. Die Wirkung der Linse lässt sich überprüfen, in dem man das Spektrum des Lichtes misst, das den Lichtleiter an seinem Ende verlässt.

Eine vergrößernde Spektrallinse lässt sich ganz ähnlich realisieren: Hier wählt man die geometrischen Details des Lochmusters in der Siliziummembran so, dass nun blaues Licht weit in die perforierten Bereiche eindringt, während rotes Licht in der Mitte des Lichtleiters konzentriert bleibt. Infolgedessen wird der Kontrollpuls nur das blaue Licht stören und weiter in Richtung Blau verschieben. Das Spektrum des Testpulses wird auseinandergezogen.

Vergrößernde Spektrallinsen könnten etwa die Auflösung von optischen Spektrometern verbessern, während eine verkleinernde Linse die Frequenzbandbreite eines Signals im Mobilfunk reduzieren könnte.

Mit ihrer ersten Spektrallinse vermochten die Wissenschaftler das Spektrum eines Lichtblitzes um 12% zu verkleinern. Nach Optimieren des Lichtleiters sollten aber noch deutlich stärkere Verkleinerungen erreicht werden. (mehr)

D. M. Beggs,T. F.  Krauss, L. Kuipers, and T. Kampfrath, Phys. Rev. Lett. 108, 033902 (2012)

URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.033902.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.033902


Moleküle in Millisekunden erforschen

Monday, 13th February 2012Allgemeine wissenschaftliche Informationen

Gemeinsame Medieninformation der TU Berlin und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft

Neues Verfahren zur Erkundung des chemischen Raumes verbindet Quantenchemie mit künstlicher Intelligenz
Die Forschungsgebiete Quantenchemie und künstliche Intelligenz (Maschinelles Lernen) rücken näher zusammen. Ein interdisziplinäres Forscherteam erhöhte jetzt die Geschwindigkeit zur Berechnung der Energie kleiner Moleküle gleich um mehrere Größenordnungen. Das beschreiben sie in einem Beitrag in der jüngsten Ausgabe des Fachmagazins Physical Review Letters. Mit der neuen Methode können nun die Berechnungen von molekularen Eigenschaften mit quantenchemischer Genauigkeit erstmals in großem Maßstab durchgeführt werden. Damit steht die Tür offen, den chemischen “Raum“ der schier unendlich vielen denkbaren, aber noch nicht untersuchten Moleküle zu erkunden.
Die angewandten Methoden der Quantenchemie können molekulare Eigenschaften wie Bindungsenergien mit dem Computer berechnen, ohne dass Experimente erforderlich sind. Dies ist in vielen chemischen Anwendungen wie der Katalyse, der Reaktionsplanung sowie bei der Entwicklung neuer Materialien notwendig. Bisher beruhen diese Rechnungen auf dem numerischen Lösen einer angenäherten Schrödinger-Gleichung, einer der Grundgleichungen für die Dynamik von Quantensystemen. Dies erfordert jedoch enorme Rechenkapazität: Im Schnitt rechnet man eine Stunde pro Molekül, was die Gesamtanzahl an Molekülen, die untersucht werden können, drastisch limitiert.
Das Maschinelle Lernen erstellt Vorhersagemodelle aus Beispieldaten. Es findet bereits breite Anwendung in verschiedenen Bereichen unseres Alltags. Dazu gehören Internet-Suchmaschinen wie Google oder Buchvorschläge für neue Amazon-Kunden. Aber auch in der Genetik oder der Hirnforschung werden diese Modelle angewandt. Ein konkretes Beispiel ist das Berliner BrainComputerInterface, mit dem Hirnsignale in Steuersignale übersetzt werden, um einen Computer oder eine Maschine zu steuern, gewissermaßen mit der ‚Kraft der Gedanken’.
Auf die Quantenchemie angewandt, erlaubt das Maschinelle Lernen nun, molekulare Eigenschaften mit vergleichbarer Genauigkeit innerhalb weniger Millisekunden vorherzusagen. Dazu müssen lediglich einige Referenzenergien quantenchemisch berechnet werden, um das Vorhersagemodell zu erlernen. Der erzielte Geschwindigkeitsgewinn der neuen Technik wird es in Zukunft erlauben, viele Moleküle mit quantenchemischer Genauigkeit zu untersuchen. Damit kann der chemische Raum in beispiellosem Ausmaß von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erkundet werden.
„Erneut war das maschinelle Lernen der Schlüssel zum Durchbruch. Es erlaubt die Vorhersage quantenchemischer Eigenschaften von Molekülen ohne die aufwändige Lösung der Schrödinger-Gleichung. Und das nahezu in Echtzeit. Die Präzision unserer Methode ist vergleichbarer zum Stand der Technik – mit einem gravierenden Unterschied: Wir können die Rechenzeit von zirka 1 Stunde auf wenige Millisekunden pro Molekül reduzieren“, beschreibt Prof. Dr. Klaus-Robert Müller vom Fachgebiet „Maschinelles Lernen“ der TU Berlin.
Dieser gemeinsame Durchbruch gelang Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität Berlin, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und dem Argonne National Laboratory. Sie arbeiteten in einem Workshop am Institute for Pure and Applied Mathematics der University of California in Los Angeles für ein Semester zusammen.
Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:

Prof. Dr. Klaus-Robert Müller, TU Berlin, Tel.: 030/314-78620, E-Mail: klaus-robert.mueller@tu-berlin.de
Dr. Alexander Tkatchenko, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Tel.: 030/8413-4812, E-Mail: tkatchen@fhi-berlin.mpg.de