Foto: Georg Winkler

Spiegel von bisher ungekannter Genauigkeit und Stabilität

18. September 2017, 08:30

In einem Christian-Doppler-Labor in Wien werden neuartige Reflektoren erforscht, die auf kristallinen Strukturen basieren.

Wien – Im Jahr 2016 wurde bekannt, dass an den Forschungseinrichtungen Ligo in den USA und Virgo in Italien eindeutig Gravitationswellen nachgewiesen wurden – bereits Albert Einstein hatte ihre Existenz theoretisch vorhergesagt. Diese ersten gemessenen Wellenbewegungen in der Raumzeit entstanden aus der Kollision zweier Schwarzer Löcher. Die Technologie, die hinter dieser epochemachenden Entdeckung steht, beruht auf dem Konzept der Interferometrie.

Dabei wird, grob gesagt, zwischen kilometerweit entfernten Spiegeln ein in zwei Teile gespaltener Laserstrahl hin- und hergeschickt, der in seiner Überlagerung ein sogenanntes Interferenzmuster zeigt. Verändert sich aufgrund der Gravitationswellen der Abstand zwischen den Spiegeln, verändert sich auch dieses Muster: Die Phasen der Lichtwellen addieren sich oder heben sich auf. Um die minimalen Verzerrungen des Raumes, die Gravitationswellen verursachen, erkennen zu können, braucht es hochgenaue Spiegel, bei denen es bei der Lichtreflexion kaum Verluste gibt.

Präzise Spiegel, exakte Messungen

Dasselbe gilt bei der Spektroskopie, die auf Interferometer zurückgreift. Sie kann zum Beispiel dazu dienen, die Atemluft auf Hinweise zu bestimmte Krankheiten zu untersuchen. Das Prinzip beruht darauf, dass verschiedene Partikel Strahlung einer jeweils bestimmten Wellenlänge absorbieren, was wiederum messbar ist. Auch hier gilt: je präziser die Spiegel, desto exakter die Messung.

Für Oliver Heckl sind derartige Anwendungen "Leuchttürme". Langfristig gesehen könnten auch jene Spiegel, die er als Leiter des Christian-Doppler-Labors für Mid-IR-Spektroskopie und Halbleiteroptik an der Fakultät für Physik der Universität Wien beforscht, bei diesen Hightech-Anwendungen landen. Und dort könnten die Spiegel für eine bis dato ungekannte Genauigkeit und Stabilität sorgen.

Bei bisherigen Spiegeln für derartige Analysen werden spezielle Materialien auf Glas aufgedampft, erklärt Heckl. Jede der Schichten dieser sogenannten Bragg-Spiegel reflektiert einen Teil des auftreffenden Lichts. Die Reflexionen überlagern sich und verstärken sich gegenseitig.

Auch die Spiegel, mit denen Heckl und sein Team arbeiten, sind nach diesem Prinzip aufgebaut. Mit einem großen Unterschied: Die reflektierenden Schichten sind kristallin, die Atome also in einem Kristallgitter geordnet, was die optischen und mechanischen Eigenschaften stark verbessert. Messrauschen aufgrund einer mechanischen Oberflächenbewegung, das bisher die Reflexionsfähigkeit der Hightech-Spiegel limitiert hat, wird damit stark reduziert.

Quantenforschung

Diese neue Art von Spiegeln war ursprünglich ein Nebenprodukt der Quantenforschung. Markus Aspelmeyer, Physiker an der Universität Wien und am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), entwickelte mit Kollegen diese Art von Reflektoren für ein Experiment zur Beobachtung von Quantenzuständen bei größeren Objekten. Die Oszillatoren, kleine "schwingende Plättchen", mit denen das gelingen sollte, wurden mit Lasern gekühlt – was die Entwicklung von Spiegeln mit erstklassigen Eigenschaften notwendig machte.

Die Technologie, die für die Experimente entwickelt wurde, stieß unter Wissenschaftern bald auf große Nachfrage. Aspelmeyer und sein Kollege Garrett Cole gründeten daraufhin das Universitäts-Spin-off Crystalline Mirror Solutions, um die Technologie weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren. Das Unternehmen ist nun auch Wirtschaftspartner in dem vom Wissenschafts- und Wirtschaftsministerium unterstützten Christian-Doppler-Labor, in dem die Spiegel in Hinblick auf bestimmte Anwendungen charakterisiert und ihre Eigenschaften genau untersucht werden.

Die Anwendungsbereiche der kristallinen Spiegelbeschichtungen sollen dabei stark ausgeweitet werden. Im Rahmen der Laserspektroskopie soll etwa der Einsatz sogenannter Frequenzkämme auch in Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich leichter möglich werden. Frequenzkämme sind Laserstrahlen mit genau definierten Eigenschaften, die im Zuge eines Messvorgangs dabei helfen, die Frequenz eines weiteren Strahls genau zu bestimmen.

Eierlegende Wollmilchsau

"Die neuen Spiegel versprechen dabei eine hohe Auflösung selbst bei breitbandigen Lichtquellen", erklärt Heckl – für den Forscher eine "eierlegende Wollmilchsau" der spektroskopischen Analyse. Im Zuge der Charakterisierung werden Reflexion, Transmission – also Durchlässigkeit – und Verluste durch Absorption oder Streuverluste genau untersucht. Heckl: "Ich bin überzeugt, dass jede Menge Entwicklungsanstöße daraus entstehen." (Alois Pumhösel, 18.9.2017)