Photonik-Physiker: "Jeder hat ein Recht auf Licht"

7. April 2015, 20:32
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Der Physiker Karl Unterrainer spricht über aktuelle Trends, Licht-Manipulationen und die große Beleuchtungsrevolution

STANDARD: Sie haben einmal gesagt, dass das 21. Jahrhundert das Jahrhundert der Photonik werden könnte. Warum?

Karl Unterrainer: Die Innovationsrate in der Photonik ist derzeit die höchste von allen Technologien. Damit meine ich die Publikationsrate und die Anzahl der Patente. Außerdem sind auf den großen Konferenzen die Industrieausstellungen enorm gewachsen. Hier präsentieren sich auch immer mehr Start-up-Unternehmen. Diesen Trend hat es ja auch am Beginn der Mikroelektronik gegeben. Sie ist ebenfalls aus Start-ups aus dem Silicon Valley entstanden.

STANDARD: Welche physikalischen Eigenschaften bringen denn die Lichtteilchen mit sich, dass sie die Forschung so beflügeln?

Unterrainer: Am interessantesten ist die hohe Geschwindigkeit des Lichtes. Sie ist für die Kommunikation und optische Datenübertragung bis hin zur Sensorik sehr attraktiv. Wir wissen heute auch sehr viel über das Licht selbst. Wir können es erzeugen und manipulieren. Damit können wir technologische Konzepte realisieren, die uns als Menschen naheliegen. Wir sind ja sehr optisch getriebene Lebewesen.

STANDARD: Welche Konzepte zum Beispiel?

Unterrainer: Wir bauen heute etwa spezielle Laser beziehungsweise Lichtsynthesizer. Licht hat ein sehr breites Spektrum, von den Radiowellen bis hin zum Röntgenlicht. Wir wollen Licht in der nächsten Dekade in allen Frequenzen mit einem optischen Synthesizer erzeugen, um Vorgänge in verschiedenen Materialien zu untersuchen. Denn Substanzen absorbieren Licht auf sehr charakteristische Weise in verschiedenen Wellenlängen. Über das reflektierte Licht kann man feststellen, um welche Substanz es sich handelt und wie chemische Reaktionen ablaufen.

STANDARD: Wofür sind Lichtsynthesizer einsetzbar?

Unterrainer: Sie sind für die Umweltanalytik wichtig, wenn man Verschmutzungen finden will. Man kann mit ihnen auch Sprengstoffe oder andere verbotene Substanzen detektieren. Oder chemische Substanzen in Körperflüssigkeiten oder im Atemgas. In der Photonik ist es ein Traum, einmal eine optische, nichtinvasive Technik an der Hand zu haben, um Blutzuckerwerte zu bestimmen. Dazu müssen wir allerdings die Synthesizer verbessern. Zur Bestimmung von Glukose muss man im Infrarotbereich arbeiten, den wir zu erschließen versuchen. Im sichtbaren Bereich gibt es hingegen bereits jetzt für fast jede Farbe einen Laser.

STANDARD: Sie forschen an Lasern mit Terahertzstrahlung. Was ist das Besondere daran?

Unterrainer: In diesem Bereich lassen sich etwa Rotations- und Vibrationsschwingungen von Molekülen, aber auch Plasmaschwingungen und Vibrationen von Festkörpern erkennen. Um diese Vorgänge direkt zu beobachten, müssen wir die Lichtquelle künstlich erzeugen. Das ist noch zu entwickeln. Denn mit elektronischen Verfahren können wir Frequenzen bis zu 100 Gigahertz erzeugen - die Frequenz liegt weit unterhalb des Infrarotlichts. Die bisher mit der Photonik herstellbaren Frequenzen liegen tausendfach höher, also 100 Terahertz und mehr. Dazwischen liegt ein Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der mehr oder weniger technologisch unerschlossen ist: das mittlere und ferne Infrarotlicht und die Terahertzstrahlung. Und es gibt für einen Forscher doch nichts Schöneres als ein Gebiet, das noch komplett "weiß" ist.

STANDARD: Bei welchen Anwendungen kann die Photonik die Elektronik ersetzen? Oder: Wo sind Photonen nützlicher als Elektronen?

Unterrainer: Die Photonik hat den großen Vorteil der optischen Datenübertragung, die wir schon heute nutzen. Die Kommunikation wird auch in Zukunft über Radiowellen oder Lichtstrahlen erfolgen - also über Photonen. Die Elektronik ist aber bei der Datenverarbeitung und Datenspeicherung effizienter und kostengünstiger. Das wird sich so schnell nicht ändern. Denn die Speicherung von Photonen ist schwierig, weil sie eben so schnell sind. Aber heute spricht einiges für integrierte Ansätze.

STANDARD: Inwiefern?

Unterrainer: Künftig soll vielleicht auch das Smartphone oder die Uhr messen können, wie gesund die Luftqualität ist, die einen gerade umgibt, etwa in einer Bar oder im Stau. Mit Elektronik geht das nicht. Sie hat keine optische Funktionalität, da sie auf Silizium basiert und Silizium kein Licht emittiert. Es geht darum, die Photonik mit der Elektronik auf einem Chip zusammenzubringen.

STANDARD: In welchen anderen Bereichen sehen Sie Potenzial für die Photonik?

Unterrainer: Zum Beispiel in der Materialverarbeitung: In Zukunft werden wir keine Drehbänke oder Fräsmaschinen mehr verwenden, sondern alles über Laserwerkzeuge behandeln. Turbinenschaufeln werden nicht mehr gewalzt, sondern lasergedruckt. Dazu braucht man natürlich Hochleistungslaser - hier gibt es eine rasante Entwicklung. Außerdem muss man die LED-Technologie erwähnen. Nicht umsonst hat Shuji Nakamura mit zwei weiteren Forschern im Vorjahr den Physik-Nobelpreis bekommen. Er hat die Grundlage für diese effiziente Lichttechnologie und damit für die Beleuchtungsrevolution entwickelt.

STANDARD: Ist die Bezeichnung "grüne Photonik" also mehr als ein Modewort?

Unterrainer: In diesem Zusammenhang hat sie absolute Berechtigung. Die LED-Technologie bringt enormes Einsparungspotenzial beim elektrischen Licht mit sich. Durch die lange Lebensdauer der LEDs wird sich auch viel in der Abfallwirtschaft ändern. Die neuen Leuchtkörper kann man mit einem kleinen akkugepufferten Solargerät betreiben, das tagsüber aufgeladen wird. Das kommt auch den Menschen in Entwicklungsländern zugute, die bisher keine Lichtquellen hatten. Es mag zwar die Astronomen nicht freuen, dass plötzlich in lichtarmen Gebieten neue Lichtquellen entstehen, aber: Jeder hat Recht auf Licht. (Lena Yadlapalli, DER STANDARD, 8.4.2015)


Karl Unterrainer, geboren 1960 in Innsbruck, studierte Physik. Er ist Leiter der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Wien und Professor am Institut für Photonik.


Wissen: Ein Laser der Superlative

Ultraschnell, ultrakurz, ultrastark - das sind Trends in der Lasertechnologie. "Ultraschnell" sind etwa Terahertz-Laser mit einer Wellenlänge von etwas weniger als einem Millimeter. Die entsprechenden Frequenzen sind so hoch, dass man sie mittels Elektronik, also durch schwingende Elektronen, nicht erzeugt kann.

Forschern um Karl Unterrainer ist es mithilfe von Nanotechnologie gelungen, Wellenlängen so zu manipulieren, dass eine Terahertz-Lichtquelle entsteht. 2013 haben sie damals den weltweit stärksten Terahertz-Quantenkaskadenlaser gebaut. Diese Laser bestehen aus maßgeschneiderten Halbleiterschichten im Nanometerbereich. Die Terahertzstrahlung ermöglicht nicht nur eine sehr schnelle Datenübertragung. Mit ihr lassen sich auch Substanzen in einer (für sichtbares Licht undurchsichtigen) Box identifizieren. "Ultrakurz" bezieht sich hingegen auf Laserpulse, die sehr kurze Zeiträume auflösen.

Forscher der TU Wien haben bereits Laser hergestellt, die Laserpulse in der Größenordnung von Attosekunden - dem Milliardstel eines Milliardstels einer Sekunde - produzieren. Mit diesen ultrakurzen Laserpulsen kann man Quantenprozesse beobachten. "Ultrastark" schließt sich daran an: Wird die Energie eines Laserpulses in zehn hoch minus 18 Sekunden komprimiert, erreicht man den Terawattbereich - also extrem hohe Leistungen. "Damit kann man Moleküle zerreißen und aus einem Vakuum Teilchen erzeugen. Das ist Teilchenphysik auf einem Lasertisch", erläutert Unterrainer.

  • Angesichts der energiesparenden LED-Technologie spricht Karl Unterrainer von einer "Beleuchtungsrevolution". Als "optisch getriebenes Lebewesen" habe jeder Mensch das "Recht auf Licht".
    foto: standard/corn

    Angesichts der energiesparenden LED-Technologie spricht Karl Unterrainer von einer "Beleuchtungsrevolution". Als "optisch getriebenes Lebewesen" habe jeder Mensch das "Recht auf Licht".

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