Quanten-Bildgebung und Spektroskopie im Mittleren Infrarot

• Antragsteller: Dr. Sven Ramelow
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314745413

Das zentrale Ziel meines Forschungsplans ist es, Quanten-Spektroskopie und Bildgebung im mittleren Infrarot (MIR) basierend auf induzierter Quanten-Kohärenz erstmalig umzusetzen und als Methode zu etablieren. Quantenmechanisch verbesserte Messverfahren sind ein sich dynamisch entwickelnder Zweig der Quantenoptik, der beginnt praxisnahe Anwendungen hervorzubringen. Diese Verfahren basieren auf Erkenntnissen zu den fundamentalen Grenzen klassischer Messungen und wie man diese mit quanten-mechanischen Lichtzuständen überwinden kann. So kann man Abbés berühmte Abbildungsgrenze umgehen oder fundamentales Quanten-Rauschen unterdrücken indem man Quanten-Verschränkung oder nicht-klassische Photonenstatistik ausnutzt. MIR-Licht mit Wellenlängen von 2 bis 20 um hat einen ausserordentlich hohen wissenschaftlichen und technologischen Stellenwert, da hier die stärksten und spezifischsten molekularen Absorptionsbänder (Vibrationsmoden) liegen, z.B. von wichtigen Gasmolekülen oder von spezifischen chemischen Gruppen in biologischen Geweben. Daher ist dieser Wellenlängenbereich hervorragend für die molekulare Spektroskopie und spektral aufgelöste Bildgebung geeignet mit breitem Anwendungspotential in der chemischen und bio-medizinischen Diagnostik. Allerdings gibt es große technologische Hindernissen für praxisnahe MIR-Anwendungen. Der Hauptgrund hierfür ist, dass Detektoren, Kameras und Spektrometer fundamental um Größenordnungen schlechtere Rasch-Eigenschaften haben als solche die im sichtbaren Spektralbereich operieren. Dies führt zu erheblichen Einschränkungen bei deren Sensitivität, Dynamikbereich, Signal-zu-Rausch Verhältnis, erforderlicher Messzeit sowie räumlicher und zeitlichen Auflösungsvermögen. Ausserdem sind starke, kommerziellen MIR-Quellen, trotz vielversprechenden Fortschritts bei Quantenkaskaden-Lasern, Superkontinuum-Quellen, Frequenzkämmen oder Synkrotronstrahlung immer noch viel komplexer, kostenintensiver und weniger robust als Laser im sichtbaren Spektralbereich wie z.B. Laserdioden. Mein Forschungsplan zielt darauf ab diese Einschränkungen vollständig zu überwinden, indem statt MIR-Detektoren und MIR-Laserquellen, hoch entwickelte Kameras und Detektoren für den sichtbaren Spektralbereich verwendet werden. Dies wird durch einen erst kürzlich eingeführten Ansatz basierend auf induzierter Quanten-Kohärenz für die Quanten-mechanische Bildgebung mit nicht-detektierten Photonen (Nature 512, 409, 2014) ermöglicht. Dessen Verwirklichung im MIR ist nicht nur fundamental interessant indem sie einen völlig neuen Spektralbereich für quantenoptische Anwendungen eröffnet, sondern ist auch höchst relevant für einen breiten Bereich von Anwendungen in der chemischen Analytik sowie der medizinischen Forschung und Diagnostik. Darüber hinaus, da dieser Ansatz inhärent auf Quantenverschränkung basiert, bietet er Möglichkeiten für quanten-mechanisch verbesserte Auflösung und Rauschverhalten sowie für äusserst schwache Beleuchtung für hyper-sensitive Proben.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: True single photon counting EMCCD
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek)