MQV-Einblicke: Hochpräzise Mikrospiegel und ultrastabile Resonatoren für die Quantenforschung

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Am 28. April lud das Start-up Qlibri im Rahmen der Veranstaltungsreihe „MQV-Einblicke – Quantenwissenschaften vor Ort erleben“ in seine Räumlichkeiten in der Münchner Innenstadt ein. In drei Laboren informierte das junge Team die interessierten Gäste über die Herstellung hochspezialisierter optischer Mikroresonatoren und deren Anwendung in der Mikroskopie und in den Quantenwissenschaften und -technologien.

Mit 30 Gästen ist jeder Platz bei der Veranstaltung „Quantenoptik trifft Mikroskopie“ vergeben, zu der das Start-up Qilibri und MQV gemeinsam eingeladen haben. „Die Art und Weise wie wir Absorptionsmikroskopie denken ist folgende: Wir nutzen keine Objektive und Linsen, wir nutzen Spiegel“, betont Jonathan Noé, Geschäftsführer und einer der Gründer der Qlibri GmbH zu Beginn seines einführenden Vortrags. Das 2022 gegründete Start-up, ein Spin-off des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München, ist Spezialist für maßgeschneiderte optische Mikroresonatoren und nutzt diese unter anderem zur Herstellung ultrasensitiver Mikroskope.

Optische Mikroresonatoren bestehen in der Regel aus zwei hochreflektierenden Spiegeln, die Licht in einem sehr kleinen Volumen einschließen. Sie sind ein essenzielles Werkzeug in allen Forschungsbereichen und Anwendungen, in denen es darum geht, Licht und Materie effizient miteinander wechselwirken zu lassen. Da das Licht sehr oft zwischen den beiden Spiegel hin und her reflektiert, wird es in gewisser Weise gezwungen, mit einem Material, das sich zwischen den Spiegeln befindet, zu interagieren. Auch in den Quantentechnologien spiele das eine zentrale Rolle, führt Noé in seinem Vortrag aus und nennt als Beispiel unter anderem die Quantenkommunikation. Diese erfordert, dass Information, die in einem Quantensystem, beispielsweise in einem einzelnen Atom gespeichert ist, auf ein Lichtteilchen übertragen wird, welches die Information dann über Glasfaser oder Satellitenlinks zwischen verschiedenen, weit entfernten Stationen übertragen kann.

Dass sich das zu untersuchende Objekt zwischen den Spiegeln eines optischen Mikroresonators befindet, ist auch der Ansatz für Qlibris ultrasensitive Absorptionsmikroskope. Die klassische Lichtmikroskopie scheitere daran, Strukturen von sehr kleinen und dünnen Objekten erkennbar zu machen, da diese kein oder nicht ausreichend Licht absorbierten, erklärt Noé. Mit Qlibris Mikroskopen können hingegen Objekte wie Nanopartikel, sehr dünne Materialfilme oder einzelne Moleküle betrachten werden, da die Wechselwirkung zwischen Licht und Objekt durch den Einschluss im Resonator extrem verstärkt wird.

Wie man wenige Mikrometer große Spiegel maßschneidert

Die Besucher:innen sehen sich die Anlage zur Herstellung der Mikrospiegel an.

Wie genau Qlibris Resonatoren aussehen, zeigt der Geschäftsführer anhand einer anschaulichen Animation. Bei dem einen Spiegel handelt es sich um einen „großen“ planaren Spiegel, auf dem das zu untersuchende Objekt abgelegt werden kann. Der zweite Spiegel ist hingegen konkav, nur wenige Mikrometer groß – so groß wie ein rotes Blutkörperchen – und ist auf das Ende einer Glasfaser aufgebracht. Mit dem kleinen Spiegel wird die Fläche des großen Spiegels abgescannt, wodurch sich das Bild nach und nach aufbaut. Dass sich der kleine Spiegel ihres Resonators direkt auf der Glasfaser befinde, sei ein weiterer Vorteil von Qlibris Technologie, betont Noé. „Egal, um welche Anwendung es geht und was ich untersuche – irgendwann muss das Licht in die Faser.“ 

Bei der Laborführung wird den Gästen eindrücklich vor Augen geführt, welche technische Spezialisierung notwendig ist, um Resonatoren dieser Art herzustellen. Beim Blick auf die extrem dünnen Glasfasern kann man sich kaum vorstellen, wie es möglich ist, auf das Ende der Glasfaser eine Spiegelfläche aufzubringen, die nochmal deutlich kleiner ist als der Durchmesser der Glasfaser selbst. Hochpräzise Justage-Werkzeuge kommen zum Einsatz, um den Laserstrahl, mit dem die Ausbuchtung für den Parabolspiegel „eingraviert“ wird, und das Ende der Glasfaser – die Zielscheibe – exakt aufeinander auszurichten. Ausführlich erklärt ein junger Mitarbeiter das genaue Vorgehen, sichtlich erfreut über die vielen interessierten Fragen. Dass ein X-Box-Controller genutzt wird, um den Laser und weitere Einstellungen und Arbeitsschritte zu steuern, sorgt für Lacher. Der X-Box-Controller sei tatsächlich besonders praktisch für das Handling der verschiedenen Steuerelemente bei der Spiegelproduktion, betont der Mitarbeiter. Dass man ihn hierfür nutzen könne, sei „einer der Vorteile, wenn man all seine Software selbst programmiert.“ An einem vergrößerten Live-Bild können die Besucher:innen beobachten, wie sich die Oberflächenstruktur der Glasfaser verändert, wenn mit dem Laser „darauf geschossen“ wird. In der Spiegelproduktion würden viele Arbeitsschritte manuell ausgeführt, erklärt der Mitarbeiter auf die Nachfrage eines Gastes. Das läge daran, dass in der Regel sehr spezifische Kundenwünsche umgesetzt würden, die jeweils ein individuelles Resonator-Design erforderten. „Je nach Anwendung muss der Resonator eine bestimmte Geometrie aufweisen.“ Mal müsse der konkave Spiegel stärker, mal weniger stark gekrümmt sein, mal brauche es größere, mal kleinere Spiegelflächen. Nicht alle Kundenwünsche seien dabei realistisch. „Wir sind die Experten dafür, wie die Resonatoren funktionieren, was die physikalischen Limitationen sind, und was somit möglich ist, umzusetzen.“

Den Abstand auf ein Zehntel eines Atoms stabil halten

An der nächsten Station dreht sich alles um die Absorptionsmikroskope, die das Start-up produziert und bei denen es sich um eine konkrete Anwendung von Qlibris Mikroresonatoren handelt. Dabei bekommen die Gäste den genauen Aufbau des Mikroskops zu Gesicht und können über ein Live-Video den Scan-Vorgang mit den schnellen Spiegelbewegungen beobachten und verfolgen, wie sich nach und nach ein Bild aufbaut. Im letzten Labor präsentiert das Start-up den Gästen schließlich seine Quantentechnologie-Plattformen, also Mikroresonatoren, die sich unter anderem durch eine extreme Stabilität auszeichnen. Was man genau unter extremer Stabilität versteht, hat Jonathan Noé in seinem Einführungsvortrag bereits eindrücklich klar gemacht: Der Abstand zwischen den Spiegeln könne hier auf ein Zehntel eines Atoms stabil gehalten werden. Diese Resonator-Module des Start-ups eignen sich deshalb für die Untersuchung von Quantensystemen und insbesondere auch für den Einsatz in Kryostaten, in denen Pumpen für störende Vibrationen sorgen können. 

Nach der Laborführung stehen die anwesenden Teammitglieder bei Getränken noch für weitere Fragen zur Verfügung – ein Angebot, dass die Besucher:innen gerne annehmen. Und auch das junge Team scheint sich über die Gelegenheit zu freuen, einem so interessiertes Publikum Einblicke in die eigene Arbeit zu gewähren und teilhaben zu lassen, an der eigenen Faszination für die Technologie, die in den Laboren von Qlibri hergestellt und stetig weiterentwickelt wird.

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