Herzlichen Dank für die sehr nette Einführung, meine Damen und Herren. Sie haben es gehört, es geht um das Jahr des Lichtes, deshalb soll es ein Vortrag zum Licht sein und außerdem ein bisschen in der Tradition von Lise Meitner. Sie wird einmal im Vortrag vorkommen, also wenn Sie aufpassen, sehen Sie auch eine kleine Verbindung des Lichts zu Lise Meitner.

Den Vortrag habe ich betitelt Material in neuem Licht, etwas zweideutig, denn einerseits beschäftige ich mich mit Licht, andererseits aber auch mit der Möglichkeit, mit Lichtmaterial zu strukturieren. Und da es um Licht geht, möchte ich gerne starten mit ein paar Beispielen vom Licht. By the way, I have been asked to give the talk speaking in German,

but the transparencies will be subsequently in English, so if afterwards you have questions in English, please feel free to ask me too, and in English it would be new light in materials. So, wenn wir jetzt uns anschauen, was das Licht besonderes ist, was im Jahr des Licht auch alle,

selbst diejenigen, die mit Physik wenig zu tun haben, begeistert, ist, dass Licht eigentlich überall präsent ist. Das zeigt dieses Zitat von Johann Wolfgang von Goethe vielleicht sehr gut, wo Licht ist, ist auch Schatten, und das bedeutet, Licht ist in der Natur, und wir erleben das täglich. Ein anderes Beispiel ist, dass Licht auch mysteriös ist, es wird besonders morgen früh mysteriös,

denn morgen früh ist eine Sonnenfinsternis, und als jemand, der hier abends diesen Vortrag hält und am nächsten Morgen noch in Berlin ist, wollte ich mir noch die nötige Ausrüstung besorgen. Es stand schon in der Zeitung, dass hier Sonnenfinsternisbrillen ausverkauft sind, und ich fragte an einigen Stellen, und da war das wirklich mysteriös, denn ich habe erfahren von einigen,

die mir sagten, ja, das war ja letzte Woche noch nicht bekannt, ob die Sonnenfinsternis ist, denn das kann man nicht so gut vorher berechnen, wer weiß, wie der Mond sich in dieser Woche verhält, und andere haben dann gesagt, naja, man weiß ja nicht, ob überhaupt das Wetter so ist, dass es einen Sonnenfinsternis gibt, deshalb waren wir gar nicht präpariert dafür. Es ist interessant, was so, ja, einige von der Natur denken, wie unberechenbar doch auch Licht sein könnte.

Licht ist aber nicht nur Natur, sondern Licht ist auch Kunst, und Licht ist Kunst hier in Berlin, und Licht ist auch Kunst als Objekt in der Natur, und das ist ja ein Zitat von Ralph Walder Emerson, Licht war der erste Maler, und Licht ist hier in Berlin auch immer ein Maler,

und es gibt ganz verschiedene Dinge, wo Licht ja auch in letzter Zeit hier in Berlin für Kunst verwendet wurde. Licht ist aber auch viel mehr, es ist Information und Energie, und hier sehen Sie ein Beispiel, wo Licht mit seiner Energie sich manifestiert, Licht ist aber auch Information, wie David Bohm das hier sagt, was die Datenübertragung angeht,

Sie alle haben irgendwo Verbindungen zu einem Gerät, einer Einrichtung, wo Sie mit Lichtdaten übertragen, und sei es zum Beispiel bei Glasfasern, und das bedeutet natürlich, dass Licht sehr, sehr viele Möglichkeiten hat, uns zu unterstützen bei dem, was heute aktuell ist, und das macht ja auch das internationale Jahr des Lichtes aus,

da geht es natürlich auch um Kunst und um Natur, aber auch um das Potenzial des Lichtes für Informationsverarbeitung. Und warum ist das so? Weil einerseits das Licht natürlich eine Besonderheit hat, es hat die höchste überhaupt in der Natur vorkommende Geschwindigkeit. Wir sind ja hier auf einer DPG-Tagung, die mehrere Fachdisziplinen vereint,

kurzzeitig in den letzten Jahren hatte das Neutrino mal die Nase vorn, und es war die Vermutung, dass es schneller als Licht propagieren konnte, das hat sich nicht als richtig herausgestellt, bekannterweise deshalb, weil man vergessen hat, zu berechnen, dass irgendwo dazwischen eine Glasfaserübertragungsstrecke war, bei der man die Lichtgeschwindigkeit falsch angeschätzt hatte.

Also Licht ist weiterhin das schnellste Objekt, das schnellste Teilchen, und das macht es natürlich für die Telekommunikation sehr attraktiv. Außerdem kann Licht parallel übertragen, eine einfache Linse überträgt mit einem Schlag sehr, sehr viele Bildpunkte an eine andere Stelle, und das ist etwas ganz Besonderes. Und Licht ist etwas, was keine Masse hat, aber trotzdem so stark sein kann,

dass es Material bearbeiten kann. Das heißt, es ist sozusagen ein Bohrer, ein Fräser, der aber nicht verschleißt. Auch das ist besonders wichtig. Und all diese Punkte sind einerseits schon lange, lange in der Forschung aktiv und haben zu vielen Anwendungen geführt, sind aber auch der Grund, warum es aktuell noch viele Forschungsfragestellungen gibt.

Und eine Forschungsfragestellung hängt damit zusammen, dass wir immer noch Träume haben, was die Informationsverarbeitung angeht. Einerseits wollen wir alle, dass diese sehr schnell vorangeht, dass sie einen hohen Durchsatz hat und auch eine große Bandbreite. Wir wollen, egal ob Daten auf dem Computer oder über Telefon, instantan kommunizieren, wir wollen, dass große Datenmengen transportiert werden kann

und wir wollen auch vieles parallel machen können. Und das führt dazu, dass wir immer noch offene Fragen haben bei der Wellenleitung oder zum Beispiel auch bei der Abbildung. Nämlich, es gibt die fundamentalen Dinge der Wellen, die dort berücksichtigt werden, die eine besondere Rolle spielen. Hier bei den Glasfasern werden kurze Pulse übertragen

und im Material verbreitern sie sich. Das ist die Dispersion. Und wenn sie sich verbreitern, kann man nicht so viel Daten übertragen, wie man gerne möchte. Hier in dem Mikroskop haben wir die Beugung, die dazu führt, dass die Auflösung begrenzt ist. Es gab ja auch zu Beginn der Woche einen sehr schönen Vortrag von Stefan Hell, mit welchen Tricks man heute arbeiten kann, mit welchen genialen Tricks,

um dieses zu umgehen. Aber es ist immer noch eine Beschränkung. Und außerdem wünscht man sich, dass manche dieser Geräte oder dieser Anwendung sich verändern, je nach Anforderungen, also adaptiv und rekonfigurierbar sind. Und wie könnte man das tun? Da gibt es viele Diskussionen in der Forschung aktuell. Und ein Ansatz ist zu sagen,

dazu muss man Material strukturieren. Durch künstliche Strukturierung kann man Bedingungen schaffen, bei denen diese Effekte besonders gut in den Griff bekommen werden können. Und die Antwort ist daher, strukturiert man das Material, dann hat man die Chance, die Dispersion oder die Beugung in den Griff zu bekommen. Die Vision dieser Strukturierung ist hier einmal von meinem Kollegen

Janis Janopoulis dargestellt, der das Photonik Mikropolis, also die photonische Mikrostadt genannt hat. Was hier aufgezeigt ist, ist eine Art zukünftiger photonischer Computer. Sie würden hier Elemente sehen, in denen die Daten gespeichert werden, Datenautobahnen, auf denen die Daten entlanglaufen, Pufferelemente, in denen die Daten zwischengelagert werden und in denen

sie prozessiert werden. Und alles sieht hier so aus, als besteht es aus kleinen Elementen aus Strukturen, die zusammengesetzt sind. Und genau das ist es, um das es geht. Wir wollen gucken, wie man Material strukturieren kann oder Material künstlich aus kleineren Bauelementen zusammensetzen kann. Mit der Vision, dass vielleicht zum Schluss diese Elemente

einen photonischen Chip ergeben können. Und das möchte ich mit Ihnen heute besprechen. Ich habe das in sozusagen vier Episoden verteilt und einen kleinen Vorkapitel. Ich will Ihnen erst ein bisschen was darüber berichten, was ich mit künstlichen Strukturen überhaupt meine. Was ist diese diskrete Welt,

um die es geht? Dann würde ich Ihnen gerne vorstellen, was photonische Gitter sind, wie Struktur und Licht miteinander wechselwirken können und was eine Bandlücke ist. Dann möchte ich Ihnen komplexe Strukturen vorstellen, die sehr viel auch mit fraktalen Dingen zu tun haben. Und dann, nach diesen beiden Kapiteln, in denen Licht Material sozusagen top-down strukturiert,

wollen wir hier von unten nach oben schauen und gucken, wie wir kleinste Nano- und Mikropartikel zusammensetzen können, um dann auch wieder Material zu erzeugen. Und zwar einmal für die Materialwissenschaft, aber auch für die Lebenswissenschaft und zum Schluss für die Fluide, für die Fluidwissenschaft. Ja, starten wir mit der Frage, was meinen wir denn?

Was ist denn eigentlich ein periodisches System? Was sind die künstlichen Strukturen? Und ich will Ihnen einerseits ein bisschen zeigen, wie Periodizität in der Physik wirkt, was es für Strukturen gibt und was diese Strukturen dann auch mit meinem Thema zu tun haben. Einerseits gibt es schon immer in der Geschichte der Physik

strukturierte Systeme. Und ein strukturiertes System, das Sie alle sehr gut kennen, ist das Atom. Das Atom besteht aus Elektronen, die in diskreten Bahnen, festgelegten Bahnen um den Atomkern kreisen. Und das ist eine Entwicklung, die zu Beginn des letzten Jahrhunderts zu sehr vielen Nobelpreisen geführt hat. Max Planck, Niels Bohr, Max Planck, der die Hilfsgröße

angeführt hat, die zu dieser Gwandlung führen, Niels Bohr, der das entwickelt hat, und Einstein, der zusätzlich dazu dann das auch für das Licht angewandt hat, zum Beispiel bei der Laserfunktion. Und das sind aber nicht nur diese Herren, die dazu beigetragen haben, sondern auch zwei sehr bekannte Damen, denn Lise Meitner hat umgekehrt aufgrund dieser Entwicklung ja die Kernspaltung

dann diskutiert, hat sich angeschaut, was da passiert, mir den Kern zerfällt und eine relativ unbekannte Physikerin, die zweite Nobelpreisträgerin in der Physik, Maria Goebbert-Meier, hat dann das Kernschalenmodell entwickelt, das genauso auf diskreten Bahnen und Kernschalen beruht. Und diese Darstellungen,

insbesondere die Kerne, werden beschrieben durch eine besondere Gleichung, nämlich durch die Schrödinger Gleichung. Und je nachdem, wie Sie die Schrödinger Gleichung anschauen, haben Sie hier entweder ein Operator oder eine Wellenfunktion, und Sie sagten nichts anderes, dass die zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion mit der Potenzial abhängt, und das kann vom Material kommen. Sie haben also

hier schon Welle und Material in der Wechselwirkung. Das ist schon die erste Strukturierung, die wir in der Physik sehen. Aber auch Material ist strukturiert, das inzwischen sehr berühmte Graphen, das auch mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wird, hat eine Struktur, die hexagonal ist und die sehr symmetrisch ist und damit sehr, sehr viele ganz besondere Eigenschaften erzeugt, insbesondere, weil es auch

als zweidimensionales Material ausgeformt sein kann. Andererseits gibt es auch Strukturen, die weniger bekannt sind. Das hier ist eine Struktur von einem Fliesenfries, von der Alhambra in Spanien, das gibt es insbesondere in dem islamischen Bereich, in sehr vielen Moscheen und besonderen Gebäuden.

Das sind sogenannte quasi kristalline Strukturen. Strukturen, die zunächst mal ganz irregulär aussehen, wenn man näher schaut, aber wenn man weiter weggeht, stellt man doch fest, dass sich gewisse Strukturen immer wieder wiederholen. Also Ordnung und Unordnung in einer Struktur. Und das gibt es natürlich auch in mathematischen Strukturen und insbesondere auch in

physikalischen, kristallografischen Strukturen. Und deshalb ist es etwas, das wiederum Material mit diskreten Strukturen verbindet. Das auch hat einen Nobelpreis gegeben 2011 in Chemie. Es gibt aber auch Strukturen, die besondere Relationen haben. Eine besondere kommt wieder aus der Kunst oder der Architektur. Das ist der goldene Schnitt

oder der goldene Winkel, der Leonardo da Vinci hauptsächlich geprägt hat. Die Idee, wo liegt Schönheit in den Verhältnissen, die in gewissen Objekten möglich sind. Und diese Schönheit ist tatsächlich in der Natur vorhanden, aber auch in der Kunst und Architektur. Und sie hängt auch damit zusammen, dass man gewisse Strukturen repetiert. Und das ist sehr schön an der Kathedrale oder an dem Eingangsportal

des Kölner Doms zu sehen. Wir haben hier Strukturen, die den goldenen Schnitt berücksichtigen. Aber immer wieder kommen diese Strukturen wieder zum Vorschein. Sie sind hier drin. Sie sind hier drin. Sie werden immer wieder kleiner und kleiner. Wir haben also hier eine Selbstähnlichkeit, die sich hier darstellt. Die auch in der Natur, zum Beispiel bei diesem Broccoli Romanesco,

sehr schön zum Tragen kommen. Solche Strukturen sind alle vorhanden. Und diese Strukturen bedeuten auch, dass sie eine Rolle spielen in der Materialentwicklung oder auch in der Entwicklung des Lichtes. Hier sind nochmal Beispiele von einem Phänomen, was es oft in der Natur gibt. Das sind Spiralen. Spiralen können überall auftreten. Sie können in Pflanzen auftreten. Sie können aber auftreten in solchen Schnecken

oder in künstlichen Objekten, wie hier eine Spiraltreppe, die hier in einem Museum in Berlin vorhanden ist. Und diese Spiralen haben auch eine besondere Rolle, weil sie können insbesondere auch Dinge, die eine gewisse chirale Richtung haben, eine Händigkeit, besonders transportieren und übertragen. Und dann gibt es auch Strukturen, die sind vollkommen zufällig. Und diese zufälligen Strukturen spielen auch eine

große Rolle, zum Beispiel hier in der Kunst oder eben auch beim Licht, bei dem allein Licht, das auf eine rauhe Oberfläche fällt, ganz zufällige Strukturen entwickelt. Und die Frage ist jetzt, können wir diese Strukturen nutzen, um Licht und Material zusammenzubringen? Und damit möchte ich jetzt starten. Und das erste Kapitel

Photonische Gitter, Licht und Struktur soll die Grundlagen Ihnen da bringen. Und ich werde gleich etwas dazu sagen, warum ich dieses Titelbild hier gewählt habe. Es geht also erst um periodische Bandstrukturen und die Überraschung, die das bietet. Dann schauen wir uns an, was das mit Licht und Lichterzeugung zu tun hat. Und dann möchte ich Ihnen ein Beispiel zeigen, das sogenannte langsame Licht

und was mit langsamem Licht auf sich hat. Ich habe das auch genannt Licht hinter Gittern, denn Sie werden gleich sehen, dass das Licht eben hinter Gittern besondere Eigenschaften hat. Wir schauen wieder mal in die Natur. Und an der Natur kann man erkennen, dass Farbe, wie wir erwarten würden, nicht unbedingt durch eine Farbadition oder Mischung zustande kommt, sondern

dass Farbe auch durch andere Effekte zustande kommen kann. Das ist insbesondere bei Schmetterlingen der Fall. Wenn Sie sich diesen Schmetterling anschauen und schauen sich einen Flügel an, dann stellen die fest, der hat gar nicht diese Farbe, sondern das ist eine Struktur, die besteht aus Stegen, die über Kreuz angeordnet sind und Löchern dazwischen. Und das Licht, das dort reflektiert wird, ergibt diesen Farbeindruck. Das kennt man auch von Materialien.

Dieser Opal schillert in ganz verschiedenen Farben und wenn man sich anschaut, was im Inneren passiert, hat man auch eine gewisse Struktur. Das heißt, wenn wir so ein Material anschauen und bestrahlen es mit weißem Licht, wird gewisses Licht zurückreflektiert und anderes nicht. Und wenn wir uns das so anschauen, dann würden wir sagen, es gibt in dem Band

der verschiedenen Frequenzen eine Lücke, die nicht reflektiert wird. Deshalb redet man hier auch von Bandlücken Strukturen. Und warum das so ist, das will ich Ihnen kurz hier erklären, aber Sie können schon mal mitnehmen, die Farbe entsteht jetzt nicht dadurch, dass hier Farbaddition und Subtraktion ist, sondern es gibt eine periodische Struktur, die dafür sorgt, dass gewisse Farben reflektiert werden und andere eben nicht.

Ja, wie kommt das zustande? Stellen wir uns hier ein periodisches Material vor, das einfach periodisch angeordnet, zum Beispiel den Brechungsindex ändert. Zwei verschiedene Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes. Wenn die Materialien nicht geordnet, dann würden wir einfach erwarten, dass es eine Streuung

gibt. Wenn aber die Materialien geordnet sind, dann führt diese Streuung dazu, dass es gewisse Wechselwirkungseffekte gibt, Interferenzen, und die führen dazu, dass gewisse Frequenzen in diesem Fall hier zum Beispiel durchpropagieren und einige Frequenzen eben nicht. Die werden zurückreflektiert. Dasselbe gilt übrigens auch für die Winkel. Wenn ich unter verschiedenen Winkeln auf so ein Material einstrahle,

können einige Winkel durchdringen und andere können nicht durchdringen. Und das ist genau die Selektivität, die wir mit der Bandlücke bezeichnen. Es gibt eine Lücke in der Transmission an dieser Stelle für die Farbe grün oder an dieser Stelle für den Winkel, der hier geradeaus durchgeht. Das heißt,

Farben oder Richtungen können nicht weiter transportiert werden durch die Periodizität des Materials. Schauen wir uns das nochmal ein bisschen genauer an. Wenn wir jetzt an ein Material mit allen Farben einstrahlen, dann würden wir sehen, dass es eine Farbe gibt, die reflektiert wird und diese geht nicht durch. Das heißt, was übrig bleibt, ist ein Loch in der

Darstellung der Propagation über die Intensität. Es gibt eine gewisse Frequenz, die nicht durchkommt. Die Durchkommen nennt man Blochzustände. Was nicht durchkommt, ist eben die Bandlücke. Und das Ganze nennt man dann einen photonischen Kristall, weil es eine Periodestruktur ist. Und diese Periodestruktur wirkt jetzt auf das Licht. Und wenn man jetzt darstellen würde, wie für

die verschiedenen Frequenzen sich die Propagation verhält, dann stellt man fest, es gibt für gewisse Propagation eben keine Frequenz, die durchgeht. Es gibt aber hier gewisse Abhängigkeiten, wie für verschiedene Frequenzen sich die Propagation verhält. Das sind die sogenannten Dispersionskurven, die verknüpfen Omega, die Frequenz, mit dem Wellenvektor.

Und diese Abhängigkeit ist, solange sie gerade ist, eine lineare Abhängigkeit, dann ist Omega proportional zu K und das ist die Lichtgeschwindigkeit. Aber hier am Rand krümmt sich diese Strukturen. Das liegt an dieser Bandlücke. Und diese Krümmung bedeutet jetzt, dass die Änderung der Frequenz mit dem Wellenvektor sich anders verhält, als wir es üblicherweise

gewohnt sind. Also an diesen Stellen hier ist die Änderung der Frequenz mit dem Wellenvektor nicht mehr vorhanden, besonders wenn das gerade ist, ist die Ableitung null. Und dann würde das bedeuten, dass eben die Frequenz nicht mehr vom Wellenvektor abhängt oder Omega konstant ist. Und dann würde das Licht eine ganz andere Geschwindigkeit bekommen.

Das nennen wir langsames Licht und wir schauen uns nachher gleich an, wie das funktioniert. Jetzt gucken wir uns die Situation an, dass wir unter verschiedenen Winkeln einstrahlen. Alle verschiedenen Winkeln kommen in das Material hinein. In diesem Fall können wir es sogar so ausnutzen, dass das Material in der transversalen Richtung strukturiert ist und wir jetzt in alle Richtungen einstrahlen. Wieder haben wir die Situation,

gewisse Richtungen werden durchgehen, andere Richtungen werden nicht durchgehen. Auch das können wir jetzt wieder auftragen mit unserem Banddiagramm, die verschiedenen Wellenvektoren über diejenigen, die durchgehen und nicht durchgehen. Da wir aber in alle Richtungen jetzt hier einstrahlen können, sieht das ein bisschen komplizierter aus. Wir gehen sozusagen einmal im Kreis hier und gucken, in welche Richtung geht das Licht wie durch. Und wir sehen

wieder ein Bereich, in der kann Licht nicht durchdrängen, gewisse Richtungen werden nicht propagieren. Und das ist das, was ich Ihnen hier zeigen wollte. Diese beiden Flamingos haben ungefähr die Struktur wie so eine Bandlücke. Es sind sozusagen Bandlückentiere. Was können wir hier feststellen? In diesen Bereichen hier gibt es eine besondere Art der Propagation. Wir wissen, dass Licht,

wenn es durch eine periodische Struktur geht, durch ein Gitter, dass es beugt. Das passiert hier auch. Die Beugung in so einer diskreten Struktur ist ganz besonders, weil ganz große Winkel stärker verstärkt werden als in der Mitte. Das heißt, große Winkel werden hier stärker angesprochen in der Beugung und das ist an dieser Kurve hier sichtbar.

Und dann gibt es aber Situationen, die sind in der Nähe der Bandlücke. In der Nähe der Bandlücke können die Wellenvektoren, weil es ja dann verboten ist, alle Wellenvektoren anzusprechen, nicht mehr gut zu propagieren. Das heißt, die Beugung kann nicht mehr stattfinden und dann wird das Licht beugungsfrei propagieren. Das nennt man auch ein sogenanntes Soliton. Das gucken wir uns auch gleich an.

Das heißt, was wir jetzt gesehen haben, ist, dass durch die Strukturierung ganz besondere Bedingungen herrschen, die Situationen erzeugen können, die wir sonst gar nicht bekommen, wenn wir ein homogenes Material haben. Und diese schauen wir uns jetzt mal ein bisschen an. Bevor wir das aber machen, will ich Ihnen noch vorstellen, wie im Moment der Stand der Forschung ist. Man kann diese eindimensionalen Strukturen der Brechungsindizes Modulation erzeugen, aber auch

beidimensionale und dreidimensionale Strukturen. Und man hat Strukturen, die die Frequenz manipulieren oder kontrollieren können und die die räumliche Ausdehnung kontrollieren können. Das bekannteste ist, eidimensionalen, das haben Sie alle irgendwo mit sich, das sind verschiedene Schichten von Brechungsindizes, das sind auch hochreflektierende Schichten,

Antireflexschichten, wie sie viele von uns auf der Brille haben, weil sie dadurch reflektieren, dass kein Metallspegel da ist, mit einer Folie, sondern weil verschiedene Schichten dafür sorgen, dass gewisse Lichtfrequenzen reflektiert werden, andere transmittiert werden. Dasselbe kann man auch für einen Raum machen. Licht, was hier reingeht, wird normalerweise gebeugt, aber

in gewissen Strukturen kann es dann nur in eine Richtung propagieren. In zwei Dimensionen wird es ein bisschen schwieriger, aber da haben Sie hier zwei Beispiele. Zum Beispiel ein periodisches Loch oder ein Loch, das von periodischen Strukturen umgeben ist. Das wirkt wie eine Kristallfaser, wie eine Faser, das heißt dann photonische Kristallfaser, aber es ist eben kein Material in der Mitte, sondern ein Loch. Und dieses Loch kann leiten, weil

die Umgebung eben nicht erlaubt ist zum propagieren und damit hat man auch eine Möglichkeit Licht zu lenken. Dasselbe ist hier der Fall. Man kann Licht hier daran hindern, nach den Seiten auszuweichen und propagieren. Und dann kann man auch in drei Dimensionen diese Strukturen erzeugen, durch lithographische Techniken oder durch Techniken der organischen Chemie,

indem man hier kleine Kügelchen sozusagen in dichtester Kugelpackung anpackt, mit einem Harz ausgießt und dann die Kügelchen herauslöst. Dann bekommt man hier so eine Struktur, die übrigens ein inverser Opal ist, weil es so wie der Opal funktioniert. All diese Strukturen sind lange und sehr erfolgreich hergestellt. Viele werden auch industriell eingesetzt. Das Problem ist, dass diese aber alle fix sind, wenn sie einmal hergestellt sind.

Und sie gelten dann nur für eine Wellenlänge in ihrer Funktion oder für eine Richtung. Wenn man das gerne anpassen wollte, dann ist schon lange die Vision, können wir nicht auch Licht selbst benutzen, um diese Materialien herzustellen. Eine Technik, die gibt es dazu, die ist schon lange bekannt, die nutzen auch viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, das ist, mit kurzen Pulsen, mit hoher Energie in einem Material

eine Struktur schreiben. Das nennt man das direkte Laserstrahl schreiben. Und dieses direkte Laserstrahl schreiben hat die Eigenschaft, im Material Strukturen erzeugen zu können, zum Beispiel auch Periodestrukturen. Was man zum Beispiel machen kann, ist hier eine Struktur, die das Licht reflektiert in gewissen Richtungen. Hier ist eine Struktur gemacht,

die zusammen mit einem Resonator ein Laser ergibt, integriert auf eine kleine Struktur. Man kann auch ganze kleine Chips erzeugen, das haben wir hier gemacht. Hier haben wir einen Wellenleiter geschrieben mit den Laserstrahlen und haben dann diesen Wellenleiter wieder substrukturiert in kleine Periodestrukturen. Und was dann herauskommt, ist hier so ein Modell

eines integrierten Wellenleiters, der besonders die Eigenschaft hat, zum Beispiel langsames Licht zu erzeugen. Sie können das aber auch weiter treiben in zwei oder drei Dimensionen. Hier ist ein Beispiel von meiner Kollegin Maria Vasari aus Griechenland, aus Heraklion, die das mit Kunststoff gemacht hat und hier einen Spiralkristall erzeugt hat, der genau diese Eigenschaften hat, die wir zu Anfang gesagt haben.

Eine Spiralstruktur kann gewisse Richtungen transportieren und andere nicht. Hier gibt es eine ganze Palette von Dingen, aber auch hier ist das Fest, was erzeugt wird, auch wenn es mit Licht erzeugt wird. Es gibt noch eine weitere Möglichkeit, und da will ich heute besonders darüber berichten, das ist die Möglichkeit, in Materialien mit Licht eine Struktur zu erzeugen und diese aber auch wieder

anpassen zu können. Dazu nutzt man eine sogenannte photoaktive Kristalle, hier ist eine gezeigt, ein strontium- barium-niobat-Kristall und mit einem elektrischen Feld kann man dessen Wirkung auf Licht abstimmen. Was kann man zum Beispiel dort dann einschreiben? Man kann eine Interferenz erzeugen von zwei Lichtstrahlen

und so eine Interferenz besteht aus zwei Wellenvektoren, die diese Interferenz bilden. Diese beiden Wellenvektoren sind einfach die Richtungen der Strahlen, die überlagern und wenn man diese Richtung darstellt, hat man zwei Punkte, die man jetzt hier in dem Wellenvektor-Diagramm als zwei Punkte darstellen kann. Also zwei Wellen erzeugen mir ein Gitter und wenn ich mit zwei Wellen hier drauf gehe, erzeuge ich ein Gitter

und habe einen eindimensionalen photonischen Kristall, weil das Material das Licht in einen Brechungsindex umwandelt und der Brechungsindex dann einfach meine periodische Struktur im Material ist. Das nennt man die optische Induktion von photonischen Kristallen. Das kann man nun weiter treiben. Wenn ich gerne eine quadratische Struktur haben will, dann muss ich vier Wellen überlagern oder zwei Paare.

Dann bekomme ich eine quadratische photonische Struktur, die hier wieder den Brechungsindex ändern kann. Ich kann auch ein Hexagon nehmen, dann brauche ich drei Paare von zwei Strahlen, um das zu erzeugen. Das wird schon etwas herausfordernder, das hat man auch am Anfang gemacht und hat damit in den hexagonalen Strukturen sehr viele Experimente gemacht, da komme ich auch demnächst dazu.

Aber mit der Zeit wird das immer schwieriger. Will ich jetzt zum Beispiel einen Quasi-Kristall erzeugen oder will ich eine fraktale Struktur erzeugen, dann ist das nicht mehr so einfach. Dennoch ist das Prinzip immer eine Interferenz und damit ein grundlegendes Prinzip, das Sie auch aus der Holographie kennen. Zwei Wellen überlagern sich und erzeugen eine Struktur,

die dann wieder für das Licht genutzt werden kann. Nun kann man das auch ein bisschen anders machen. Man kann nämlich ein Gerät nutzen, das Sie alle auch hier in vielen Situationen schon nutzen, einen sogenannten räumlichen Lichtmodulator, nichts anderes als ein Display, wie es im Handy oder in diesem Beamer ist. Auf das können Sie jetzt eine Struktur aufprägen und wenn Sie die gut berechnet haben wie ein Hologramm und projizieren die hier vorne auf die Fläche,

dann erzeugt es genau diese Struktur im Material. Und dann können Sie sehr viel komplexer werden und hinten mit der Kamera das auch prüfen. Das haben wir jetzt für die nächsten Strukturen mal gemacht. Das ist jetzt nochmal hier eine Struktur, die ganz einfach hier quadratisch ist, also hat zwei verschiedene Richtungen. Man braucht eine gewisse Phase und die Amplitude, wie bei einem

Hologramm, schreibt das hier rein und kann dann hinten mit der Kamera schauen, man hat tatsächlich den Berechnungsindex moduliert und einen photonischen Kristall, die Amplitude und die Phase an unserem Lichtmodulator, der quasi Kristall, entsteht als Kristallinenstruktur im Berechnungsindex des Materials oder solche Zufallstrukturen kann man ebenfalls erzeugen.

Das heißt, wir haben jetzt ein Instrument in der Hand, in dem wir Intensität und Phase modulieren, photonische Kristalle zu erzeugen, photonische Gitter nach dem Prinzip der Holographie und deshalb haben wir die holographische Induktion von Gittern in dem Material. Wenn wir dann das Licht ausschalten, ist unser Material sozusagen erzeugt, präpariert und wir können

das nutzen, um wieder zu schauen, wie Licht darin propagiert. Und weil wir jetzt all diese fundamentalen Strukturen erzeugen können, haben wir sozusagen eine Art Toolbox für grundlegende Physik, weil wir in diesen lichtinduzierten photonischen Kristallen sehr viele verschiedene Strukturen erzeugen können, die besonders für die fundamentale Physik ganz wichtig sind, die so einfach so nicht herzustellen sind. Und das will

ich mit Ihnen jetzt zukünftig ein bisschen diskutieren. Hier ist aber nochmal der Zugezeug der verschiedenen Strukturen, die wir erzeugen können. Das haben Sie schon als Titelbild gesehen in der Struktur, die wir auch auf dem Poster der Ankündigung der Veranstaltung hatten. Und einige der Strukturen will ich ein bisschen herausgreifen. Es gibt hier

wirbelbehaftete hexagonale Strukturen. Es gibt hier sowas wie sogenannte Besselstrahlen, zirkulare Strahlen oder hier auch elliptische und hyperbolische Strahlen, auf dem man alles besondere photonische Kristalle erzeugen kann. Ja, ich will jetzt erstens mit Ihnen langsames Licht diskutieren. Und langsames Licht ist eine besondere Eigenschaft, die, ja, wenn man sie so

hört, vielleicht ein bisschen paradox ist. Warum ist langsames Licht interessant? Langsames Licht scheint erstmal, ja, wenn Licht die besondere Eigenschaft hat, schnell zu sein, nichts Besonderes zu sein. Und langsam ist immer relativ. Das ist hier ein nettes Bild von meinem Kollegen Rick Trebino, der sich mit ultrakurzen Pulten beschäftigt und hiermit sagen wollte, Geschwindigkeit ist tatsächlich relativ. Im US-Amerikanischen

System ist mein Geschwindigkeitslimit von 50 Meilen pro Stunde, 167 Meilen pro Stunde schon eine schnelle Geschwindigkeit. Ja, also die Frage ist, warum braucht man langsames Licht? Und die Antwort ist, denken Sie an einen möglichen photonischen Computer. Da würden Sie auch takten und puffern müssen. Das heißt, man muss irgendein

Instrument haben, um Licht auch manchmal anzuhalten oder zu verlangsamen. Wie macht man das jetzt? Wir wissen alle, dass wenn Licht in Material geht, den Brechungsindex erfährt und damit die Lichtgeschwindigkeit im Material langsamer ist als in Luft. Das ist aber nicht viel. Und normalerweise, wenn Licht durch einen Brechungsindex durchgeht, propagiert es einfach mal weiter.

Wenn es jetzt ein langsames Licht gäbe, würde es bedeuten, dass in dem Material der Puls so langsam propagiert, dass er sehr viel später herauskommt. Oder wenn er schneller propagieren würde, würde er schneller wieder herauskommen. Und das wollen wir jetzt gucken, wie das geht. Jetzt könnte man denken, na, dann nehme ich ein Material mit einem sehr hohen Brechungsindex. Aber der Brechungsindex, der meistens im Bereich

1 oder 2 liegt, wenn es besonders hoch ist, reicht eben nicht aus, um das Licht ausreichend zu verlangsamen. Was kann man denn machen? Der Trick ist, natürlich, wir versuchen periodisches Material zu benutzen. Wir erzeugen einfach über Interferenz hier in dem Material eine Struktur und tun die in unser Material übertragen.

Dann haben wir so ein Hologramm, was so aussieht. Die Interpretation kann ja auch sein, wir erzeugen ein Hologramm im Material. Und das ist eine künstliche Struktur im Brechungsindex. Und die soll uns jetzt langsam das Licht erzeugen. Wie kann man sich das vorstellen? Zum einen wissen wir ja schon, es gibt diese Bandlücken. Und auch in diesem Material gibt es eine Bandlücke. Das heißt, wenn man sich anschaut, wie zum

Beispiel die Transmission ist, gibt es einen Bereich für Frequenzen, der nicht transmitiert. In diesem Bereich ändert sich aber auch der Brechungsindex oder die Dispersion. Und besonders an diesen Stellen hier ändert sich die Dispersion ganz besonders, sehr, sehr steil. Und mit der Dispersion ist eben auch die Geschwindigkeit des Lichts verbunden. Das heißt, an diesen Stellen, wo die Änderung so stark ist,

ist auch die Gruppengeschwindigkeit, die Geschwindigkeit eines Lichtpulses besonders stark verändert. Je höher das ist, umso langsamer das Licht, je tiefer, umso schneller das Licht. Unglücklich ist nur, wenn Sie mal schauen, wo dieser Pik hier sitzt. Der sitzt genau hier, wo das ja gar keine hohe Transmission gibt. Das heißt, das ist relativ unglücklich, wenn gar kein Licht durchkommt,

das dann verlangsamt wurde. Da kann man wieder einen Trick anwenden. Wir machen nämlich jetzt eine Lücke in unsere Periodizität. Das kann man Defekt nennen, aber es ist ein sehr hilfreicher Defekt. Denn was jetzt passiert ist, dass in dieser Struktur, wenn wir jetzt die Lichtpropagation anschauen, eine Lücke in der Bandlücke entsteht. Das heißt, hier in diesem

Bereich kann wieder Licht transmitiert werden. Im ganz kleinen Bereich, da ändert sich auch wieder der Brechungsindex sehr stark. Und dann ändert sich auch der Gruppenindex sehr stark. Man sieht, hier kann man sehr gut sehr langsames Licht erzeugen, an einer Stelle, bei der genug Licht transmitiert wird. Und das ist genau der Trick. Mit der Unterbrechung der Periodizität, mit der

ich die Bandlücke hier modelliere. Das haben wir gemacht. Wir haben das gemacht mit verschiedenen Pulslängen. Hier ist ein Beispiel für 2,5 Pikosekundenpulse. Und dieser Puls, der hier reinkommt, wird jetzt, indem man diese Bandlücke verändert, verschoben. Und man sieht dann, dass er verzögert werden kann,

3-5 Mal. Und man kann diese Verzögerung jetzt nutzen, um Licht für Telekommunikationsanwendungen zu puffern. Man kann sich auch überlegen, wie weit kann man das denn durch die Masse schneidern. Man kann das tun, indem man mehrere Defekte einbringt, indem man Defekte als

Resonatorenkavitäten einführt. Man kann sich ganz verschiedene Tricks überlegen. Und dann kann das Licht sogar 3-4 Größenordnungen langsamer werden. Wenn Sie jetzt an 300.000 km pro Sekunde denken und da an Faktor 10 hoch 3, 10 hoch 4 abziehen, dann sind Sie irgendwo in dem Bereich ein paar 100 km pro Stunde oder vielleicht auch irgendwann dann im Bereich von ein paar 10 km pro Stunde. Und eine meiner

Kolleginnen in Harvard, Lena Howe, hat 2009 den Rekord, dass langsam ein Licht ist erzeugt mit 25 km pro Stunde. Jetzt haben Sie vorhin gehört, ich komme aus Münze, das ist eine Fahrradstadt, 25 km pro Stunde, flach ist es zudem in Münze, da kann man schon mit dem Fahrrad hinterher kommen. Also ist es sozusagen Licht mit Geschwindigkeit eines

Fahrradfahrers. Auch unser Oberbürgermeister fährt in Münze mit dem Fahrrad, kann er deshalb schneller als Lichtgeschwindigkeit, langsame Lichtgeschwindigkeit fahren und in Münze ist auch die Polizei auf dem Fahrrad unterwegs, kann die Polizei dann schneller als das Licht fahren, um deshalb dann denjenigen,

der mit Fahrradgeschwindigkeit fährt, einzuholen. Also ganz andere Perspektiven, wenn man an so eine Geschwindigkeit denkt, aber in der Anwendung besonders zum Puffern in Informationsverarbeitung wichtig. Damit möchte ich zum nächsten Kapitel kommen, nämlich die Frage, was gibt es für besondere photonische Landschaften und ich will Ihnen einerseits

einen optischen Tsunami zeigen, photonisches Graphen und optische Sonnenblumen und optische Tornados. Das erste, was ich mit Ihnen besprechen werde, ist die Frage eines optischen Tsunamis. Das hört sich jetzt erstmal ganz erschreckend an, denn der Tsunami an sich scheint ja etwas zu sein, was Naturkatastrophen erzeugt und eigentlich nicht positiv besetzt ist. Was es aber ist, ist eigentlich

eine ganz besondere Welle. Es ist eine Welle, die sich nicht so verhält wie normale Wellen. Was würden wir von einer normalen Welle erwarten? Hier ist übrigens ein Holzschnitt von Kanawa, der schon um 1830 in der Historie von Japan die vielen schweren Tsunamis, die dort an die Küste aufschlagen, dokumentiert hat. Diese Welle hat nicht

die Eigenschaft, die wir sonst kennen, dass nämlich, wenn irgendwo ein Erregerzentrum einer Welle ist, diese Welle langsam nach außen abklingt. Das heißt, diese Welle wird nicht schwächer, sie geht nicht nach außen, sie hat also keine Dispersion oder Dissipation. Andererseits bricht die Welle auch nicht.

Wenn die Welle bricht, dann ist der Kamm schneller als der Rest und dieses Umbrechen würde bedeuten, dass die Welle eine sehr starke Energie zum Wissen ist. Wenn aber beides zusammenwirkt, dann kann es passieren, dass einerseits die Welle nicht zerfließt und andererseits aber auch nicht bricht, sie bleibt zusammen. Und das hat John Scott Russell schon 1834 als Schotte an einem Kanal in

Schottland festgestellt. Er hat das relativ theatralisch der Royal Society beschrieben, mit dem er gesagt hat, er hat so eine Welle gesehen, die ist nicht langsam abgeklungen, aber auch nicht aufgestalten. Er ist mit dem Pferd hinterhergeritten, kilometerweit in den Kanal und das hat er so beschrieben, dass das ihm wenig geglaubt wurde.

Und hier gibt es eine Konferenz der Wissenschaftler, die sich mit diesem Phänomen beschäftigen, dem sogenannten Soliton, die hier an der Überführung des Union Channels über eine Autobahn genau dieses Phänomen erzeugt haben. Man kann es erzeugen, indem er eine Initierung, sozusagen einen ersten Impuls sehen gibt und das hat dieses Boot hier gemacht, indem es eine

Bugwelle erzeugt hat und die läuft dann dieses kleines Stück hier entlang, ohne sich zu verändern. Und die Frage ist, kann man eine solche Welle, die nicht zerfließt und sich nicht aufstallt, auch in der Optik sehen? Da gibt es auch etwas Historisches, denn der Kugelblitz wird als ein Lichtphänomen vermutet, das so aussieht, als könnte es so etwas

wie ein dreidimensionales Soliton sein. Und mit diesen, sozusagen anfängliche Überlegungen gab es schon in den 60er und 70er Jahren mit der Entwicklung des Lasers Entdeckungen, bei denen man gesehen hat, dass in der Glasfaser ein Puls nicht zerfließt, sondern so bleibt es, das sogenannte optische Soliton in der Glasfaser oder dass in festen Materialien Licht nicht mehr

beugt, sondern zusammen bleibt. Auch ein Effekt. Und diesen Soliton können wir jetzt auch in unserer Bandstruktur sehen. Hier ist die Bandstruktur gezeigt von so einer solchen Struktur, eine quadratische Struktur, die Sie hier sehen. Und jetzt kann man hier sehen, dass in verschiedene Richtungen, in denen wir einstrahlen, sich hier verschiedene

Propagationsbedingungen. Wenn wir hier mal schauen, wir würden als erstes hier einstrahlen in diesem Bereich, dann würden wir mit dem einstrahlen in einen Bereich geben, in dem ganz viele Bände existieren, dann würde die

Beugung sehr stark sein und die äußeren Bereiche der diskreten Beugung werden besonders betont. Jetzt gehen wir hier in diesen Bereich. In diesem Bereich, wenn ich jetzt propagiere, bin ich ganz nah an einer Bandlücke. Und das bedeutet, ich kann bei der Propagation nicht alle diese Frequenzen erzielen. Und was man sieht ist, das Licht, das ich eingestrahlt habe, verändert sich nicht. Es bleibt genauso schmal, wie es vorher

war. Es geht also gerade durch, ohne zu beugen. Das ist genau dieses Soliton. Und dann kann man noch Tricks anwenden und

dann schauen wir uns jetzt was anderes an, was man mit diesen Materialien herstellen kann. Das photonische Graphäen. Wir hatten vorhin schon diskutiert, dass man drei Paare von Strahlen braucht, um eine hexagonale Gitterstruktur zu erzeugen. Jetzt nehme ich einen kleinen Trick. Ich ändere nämlich die Phasenbeziehung zwischen diesen Spots. Indem ich zum Beispiel hier diese Spots immer in der Phase etwas verschiebe, um 6 Pi

insgesamt, dann ändert sich diese Struktur in diese hier. Und das ist eine sogenannte Bienenwarmenstruktur. Das ist Graphäen. Das heißt, wir haben jetzt eine Struktur erzeugt, die ist Graphäen. Ich kann noch ein bisschen an dem Knopf drehen. Ich kann zum Beispiel nur 4 Pi im Umlauf hier die einzelnen Phasen der Spots verändern. Dann bekomme ich eine andere

Struktur, die ist auch sehr bekannt in der Physik. Das ist eine sogenannte Carcomel-Struktur und für die Experten, die hat in einigen Bereichen hier zum Beispiel einen Wirbel, eine Optischstruktur, die beim Umlauf eine spiralartige gibt und hier in einer Art sozusagen Sanduhrstruktur eine andere Umlaufrichtung. In der Summe hat deshalb diese Struktur keine Händigkeit, aber

lokal gibt es Händigkeiten, eine sehr berühmte auch in der Festkörperphysik wichtige Strukturen. Wir haben sie hier einfach mit einem Knopf die Phase der Interferenz zu verändern erzeugt. Graphäen und auch diese Struktur. Was kann man jetzt mit Graphäen untersuchen? Wir können jetzt mit Licht einen Graphäen herstellen und uns einige Fragen stellen,

die Graphäen besonders attraktiv machen. Hier ist das Banddiagramm von Graphäen dargestellt in einer dreidimensionalen Darstellung. Sie sehen wieder das obere Band und das untere Band und dazwischen eine Bandlücke, aber es gibt hier ganz besondere Stellen, die nennen sich auch teuflische Dirac-Punkte, weil hier kommen die beiden Bänder zusammen. Man weiß nicht, ob an dieser Stelle eine Bandlücke ist oder

nicht. Es gibt einen Punkt, in den wir sich berühren und in dieser Punkt ist entartet. Dort kann man Quantenphänomene sich anschauen, denn dann können die Strahlen oder die teilschen Tunneln zwischen den beiden Bändern und die Bandlücke überwinden. Das schauen wir uns an. Das ist vielleicht ein bisschen mehr für die Experten unter Ihnen. Wir haben

hier die Bänder, die wir in der Mitte einstrahlen. Theoretisch kann man sagen, man hat hier verschiedene Möglichkeiten. Einerseits können wir in der Mitte einstrahlen, dann würden wir eine Propagation bekommen. Wenn wir an den Seiten, an den Kanten einstrahlen, haben wir eine andere Bedingung. Dann würden

wir erwarten, dass es hier eine Entartung gibt. Wie kann man das ansprechen? Ich verdrehe meinen Strahl und gebe ihm eine Richtung. Dann kann ich von der Stelle in der Mitte zum Rand gehen. Wenn ich an

diesen Punkt komme, wo die Entartung stattfindet, tunnelt mein Strahl zu diesen Punkten hier. An diesen Punkten gibt es zwei Möglichkeiten. Das entartet sich hier und dann gibt es hier eine Oszillation. Das kennt man aus der Festkörperphysik. Das wäre ein Tunnel, ein Landau-Zener-Tunnel zu einer Rabi-Ozillation und dann hier auf den Seiten die Pendellösung. Das sind

quantenphysikale Phänomene. Die können Sie jetzt genau darin sehen. Das haben wir auch im Experiment gemacht. Sie sehen hier die Numerik und das zugehörige Experiment. Wenn unser Strahl langsam von der Mitte zu dieser Bandkante wandert, zu diesem diabolischen Punkt, dann tunneln die Strahlen in die nächsten Punkte und von dort können

Sie oszillieren und können eben genau dieses Phänomen zeigen. Also haben wir ein Quantentool, das wir nutzen können und gewisse Phänomene uns anzuschauen. Ich hatte Ihnen auch gesagt, dass diese Strukturen auch aus der Natur Ideen

Wir müssen aber hier zum Beispiel eine Spiralstruktur haben. Abstrahieren wir mal einen Moment, dann haben wir hier eine Struktur aus Punkten, die eine Spirale gibt, aber wenn wir nach außen radial gehen, hat sie eigentlich überhaupt keine Struktur. Es ist aber eine Struktur, die man sich anguckt. Das ist die berühmte Fibonacci-Zahl. Die Fibonacci-Zahl ist

eine Spiralstruktur mit Fibonacci-Symmetrien. Die Frage ist, können wir die denn auch realisieren in unseren photonischen Gitter? Das ist jetzt nicht so einfach, weil eine solche Struktur ja gar nichts Regelmäßiges hat. Mit Interferenz und Holografie wird

das schwierig. Und da nutzen wir einen besonderen Trick und der Trick ist, dass wir jetzt eine unserer Strahlen überlagern. Und wenn man das macht, so einige 50 bis 100 Mal, dann bekommt man genau hier so eine Vogelspirale heraus.

Und damit haben wir dann in unserem Material diese Struktur erzeugt. Eine Vogelspirale in unserem Material mit diesen Besselstrahlen. Ja, das haben wir gemacht. Sie sehen hier die eine Vogelspirale in der Numerium-Experiment und wenn wir dann Licht draufstrahlen, ist das der Brechungsindex und wir sehen auch, dass

Licht nun hier propagieren kann. Und das ist das Besondere an diesen Strukturen. In einer Fibonacci-Struktur ist die Bandlücke eine ganz homogene über alle Richtungen, sodass wir in alle Richtungen zum Beispiel solitäre Propagationen sehen können. Und das sehen wir auch für beide Fibonacci-Strukturen, für beide Spiralen, also für die Aloe Vera und für die Sonnenblume. Ja, und das ist in unserer

Publikation hier auf das Titelbild erschienen, weil das eben eine besondere Art ist, diese photonische Struktur zu erzeugen. Ja, damit möchte ich jetzt mit diesem Kapitel aufhören und sozusagen einen Perspektivwechsel vornehmen. Wir

sehen hier, dass die Struktur, die wir hier sehen, auch für biologische Partikel. Ja, der Wunsch, kleinste Partikel anzuordnen und zu strukturieren, den gibt es schon relativ lange und besonders auch zu beobachten. Das hat schon Löwenhoek gemacht, als er 1679 das erste Mikroskop

entwickelte. Das ist hier die kleine Linse, mit der er beobachtet, denn er hat hier einen Stift dran gesetzt und er wollte damit kleinste Partikel, nämlich Lebewesen fangen. Das waren bei ihm, das hat ihn besonders interessiert, Spermatozonen und die hat er dann sich so unter dem Mikroskop angeguckt und gezeichnet. Um sie festzuhalten, damit er das besser sehen kann, hat er einen besonderen Trick angewandt. Er hat hier so eine Art ja

Struktur gewettet, um sie dann festzuhalten, um sie besser sehen zu können. Und er hat geschrieben, the slender the glass pipe there will they make the red globulus of blood appear. Also eine Möglichkeit, etwas

festzuhalten, um es dann besser zu sehen. Das macht man heute übrigens auch noch, dieser Traum des Festhaltens von kleinen Partikel, um sie besser zu analysieren. Hier zum Beispiel ist eine mikromechanische Einheit, um kleinste biologische Einheiten, die sehr rutschig sind festzuhalten, zum Beispiel Nematoden oder Gliederwürmer oder anderes. Und hier auch so eine

Struktur, in dem man zum Beispiel einzelne Zellen festhalten kann. Das ist sehr, sehr beeindruckende Entwicklungen, die auch in Größendimensionen vordringen, die man sich vor einigen Jahren kaum vorstellen könnte. Nur das Problem ist, man hält damit eine Zelle fest und kann sie auch beschädigen. Jetzt kommt wieder die Frage, können wir das auch mit Licht tun. Das ist deshalb besonders wichtig, weil viele

Anwendungen, wie zum Beispiel diese besten Taschenlabore, gar keine Möglichkeit bieten, dass man mit einer Pinzette anstecken kann. Das ist lange bekannt. Das hat Maxwell schon 1873 berechnet und dann

Arthur Eschke 1970 gezeigt. Wenn es ein durchsichtiges, transparentes Partikel gibt, das in einem fokussierten Laserstrahl sich bewegt, dann wird es in den Fokus gezogen durch verschiedene Kräfte, eine Streukraft und eine Gradientenkraft. Die eine zieht es in die Mitte, die andere zieht es entlang des Fokus und zum Schluss

ist das Partikel dann hier in der Mitte gefangen. Das heißt tatsächlich, ein Lichtstrahl, der fokussiert, kann ein Partikel halten. Und wenn ich dann den Lichtstrahl bewege, dann kann ich auch das Partikel bewegen. Und das hat dazu geführt, dass man das kombiniert. Wir hatten vorhin schon von den räumlichen Lichtmodulatoren gehört, mit denen wir gewisse Strukturen erzeugen können. Jetzt erzeugen wir die Strukturen um Partikel

zu halten. Wir strahlen mit einem Laser auf unseren Lichtmodulator, gehen in ein Mikroskop. Das Mikroskop fokussiert jetzt an einer Stelle und dort wird das Partikel gehalten. Jetzt ändern wir hier diese Struktur, dann verändern wir auch hier zum Beispiel, wo das Partikel gehalten wird oder ob mehrere Partikel gehalten werden. Und ich kann die Hologramme auch dynamisch verändern und kann dann auch Partikel bewegen. Das sieht man vielleicht am

besten hier in einem Beispiel, das man jetzt hier ansehen kann. Wir haben jetzt hier einige Partikel gefangen, bewegen unseren Laserstrahlanordnung und bewegen die in zwei und drei Dimensionen, da erzeugen wir einen Würfel, den können wir drehen und können dabei die Partikel in alle Richtungen bewegen, nur mit Licht. Nichts

anderes als Licht wirkt hier dabei. Und das wollen wir jetzt auf verschiedene Dinge anwenden und die erste Anwendung, die ich Ihnen zeigen will, hat wieder mit Kunst zu tun, mit einem Schweizer Abkommen. Die Teile, die dazu gehören,

anordnen oder beim Frühstück, wo es gleich daran alles zu sortieren oder auch beim Mittagessen, es muss alles ordentlich sortiert werden. Das hat aber einen für die Nanophysik sehr wichtigen Hintergrund, denn oft geht es darum, gewisse Systeme zu ordnen, hierarchisch zu ordnen, um gewisse Funktionalitäten systematisch

mit Licht. Und das möchte ich Ihnen zeigen an Materialien, die zusammen mit meiner Kollegin Luisa de Cola von der Universität Münster früher und jetzt an der Universität Straßburg untersucht haben, sogenannte Ziolite. Das sind

mesoporöse Strukturen und wenn man genau hinschaut, haben die hier so eine Art rechteckige, hexagonale Struktur und wenn man noch genauer hinschaut, haben sie darin Kanäle und diese Kanäle sind sehr lang entlang entwickelt. In diese Kanäle können sie zum Beispiel funktionale Moleküle tun, dann sind sie schon in eine Richtung angeordnet. Wenn es jetzt noch gelängelt, diese

hier durcheinander auf einem Haufen liegenden Ziolite auch anzuordnen, dann könnte man sehr systematisch die funktionalen Eigenschaften dieser Materialien nutzen. Und das haben wir gemacht. Wir haben jetzt Lego gespielt mit unseren optischen Pinzetten, haben diese Ziolite angepackt und haben sie dann benutzt, um sie anzuordnen. Das erste,

was wir gemacht haben, im Sinne von Ursus Verli, wir hatten hier ganz verschiedene Größen in diesem 4x4 Array und haben dann angefangen sie so zu sortieren nach der Größe oder in drei Dimensionen haben wir einfach einen Künstlichen FCC-Kristall damit erzeugt, indem wir einfach die angeordnet haben. Das heißt, sie können mit den Eisenbauelementen dann eine Struktur erzeugen, können die

nachher in Harz oder Kunststoff reingießen und haben dann eine solche Struktur erzielt oder können sie auf eine Oberfläche anordnen. Und das haben wir 2010 erzeugt und das hat auch ganz spektakulär eingeschlagen, weil man damit diese Strukturen anordnen kann. Dann kann man aber noch die Funktionalität nutzen, um gewisse Operationen zu erzeugen. Hier haben Sie jetzt sechs von diesen

Zeoliten, wir können sie mit unserem Licht auch drehen. Drei davon sind jetzt mit Fluoreszenzpartikeln beladen, das haben Sie gerade gesehen, und jetzt ordnen wir die an, indem wir sie so anordnen, dass sie einen aus Bausteinen bestehenden Lichtwellenleiter geben. Und dann können wir beleuchten und Sie sehen, dass dann das Licht dann über diese verschiedene Strukturen weiter propagiert wird. Wir

können es auch nutzen als Sensor für Polarisation oder als Element, um zum Beispiel Licht zu leiten dort, wo es divergent ist. Also ein Wellenleiter angeordnet mit Licht aus kleinsten Einzelteilen. Dann haben wir jetzt noch eine andere Anwendung. Ich hatte ja vorhin gesagt, es geht auch um Lebewesen, und Lebewesen, die besonders

interessant sind, sind zum Beispiel hier Bakterien, weil Bakterien sich bewegen, weil sie meist einen molekularen Motor haben, mit dem sie auch in kleinsten Einrichtungen selbstorganisiert sich bewegen können. Was wäre der Traum, dass diese Bakterien, die hier zum Beispiel durch die helixartige Struktur der Flaggellen sich bewegen, dass diese

sich besonders mit Licht anordnen lassen, also sozusagen mit Licht festgehalten werden. Die Frage ist, wie kann man das machen? Und dazu ist natürlich die Antwort mit Licht. Und was wir besonders uns anschauen wollen, ist, wie kann man denn diese Eigenschaft der Flaggellen benutzen, was sie tun, um sich fortzubewegen, wie kann man die Flaggellen einerseits ihre Flaggellen ordnen und dann als helixartige

Spirale den Antrieb sorgen oder sich drehen. Jetzt kann man mal schauen, wie das ist. Das hat hier meine Kollegin Berenike Mayer aufgenommen an der Universität Köln. Da sind die Bakterien Flaggellen mit Fluoreszenzfarbstoffen versehen und wir sehen hier die verschiedenen Bewegungsmodi, die diese Flaggellen haben. Jetzt würden wir gerne

diese Flaggellen nutzen, um in Mikrosystemen diese Motorkraft einzusetzen. Und dazu haben wir eine besondere Technik entwickelt. Einerseits können wir mit der optischen Pinzette diese Bakterien alle halten. Andererseits können wir sie auch nehmen und auf gewisse zum Beispiel Oberflächen festsetzen. Und das haben wir hier gemacht. Wir haben hier eine

Bakterie auf einer Oberfläche, die funktionalisiert war, angedockt, haben dann die Laser weggenommen und haben dann geschaut, was die Bakterien machen, die nun angehaftet sind. Und das sehen Sie hier. Die Bakterien bewegen sich, sie drehen sich, weil das ihre Fortbewegung ist. Sie sind aber nun angehaftet

an der Oberfläche. Und wenn Sie das tun, dann kann man sich anschauen, was Sie denn im Fluid tun. Und Sie treiben nun hier in dem Fluid die Bewegung an, können also als Mikromische in einem Fluid agieren und das dann dort auch entsprechend mischen. Das ist besonders deshalb interessant, weil wenn man genauer hinschaut, sieht man, dass sich die einzelnen Bakterien hier mit verschiedenen

Geschwindigkeiten bewegen. Wir haben uns das genauer angeschaut und welche, die nahe Flügel durchführen. Also eine Möglichkeit, selbstgesteuerte Mischer in kleinsten Kanälen zu haben. Was können wir uns noch vorstellen? Wir können uns überlegen, dass

wir zum Beispiel unsere Ziolite kombinieren mit den Bakterien, um einen Mikromotor zu erzeugen. Und das zeige ich Ihnen hier mal schnell. Hier haben wir einen Ziolit mit Bakterien kombiniert und jetzt transportieren die Bakterien in so einem Huckepack unseren Zioliten auf ganz weite Strecken. Und wie weit die Strecken sind, das kann man sich hier anschauen. Über braunische Bewegungen

würden die Zioliten in dem Fluid einfach sich auf diesem Bereich hier bewegen. Und hier hat unsere biohybride Maschine das Bakterium das so transportiert. Ja, wir können auch Zellen untersuchen damit. Und vielleicht zeige ich hier nur kurz ein Beispiel. Hier haben wir eine Blutzelle mit unserer Option-Pinzette geschnappt. Und dann können diese Blutzelle deformieren,

auf ihre Elastizität hin prüfen und können ganz verschiedene Eigenschaften dazu sehen. Dasselbe kann man auch zum Beispiel mit Zebrafischen und mit Stammzellen machen. Das überspringe ich

von Fluiden ist besonders deshalb so interessant, weil Fluidmanipulation etwas sind, was typischerweise sehr schwierig möglich ist. Und ich will Ihnen ein, zwei Aspekte zeigen, wie interessant das sein kann. Das erste, was man sich überlegen muss, ist, wenn ich ein absorbierendes Fluid habe, dann ist die

schöne Idee mit der Option-Pinzette da. Man muss also eine Art Falle finden, aus der jetzt ein Tropfen, der absorbiert oder ein Partikel, der jetzt absorbiert, nicht mehr herauskommt. Dann muss man einen Hohlraum haben. Und diesen Hohlraum zu erzeugen, das ist nicht so einfach. Und

den Hohlraum, den wir erzeugen, erzeugen wir durch Lichtfelder, die wir so überlagern, dass in der Mitte eine Öffnung bleibt, ein Hohlraum. Und in diesem Hohlraum kann man dann Partikel fangen. Das ist hier gezeigt, also das Experiment dieses Hohlraums. Und da haben wir das Partikel drin. Und das können wir jetzt nutzen, um auch dort

verschiedene andere Objekte zu fangen. Und wir haben hier gezeigt, dass wir in der holographischen Anordnung viele von diesen Hohlraumfallen erzeugen können und hier zum Beispiel Grafitpartikel fangen können. Was wir jetzt machen wollen, sind auch Tröpfchen fangen. Und hier haben wir eine besondere Entwicklung gemacht, die sich erstmal etwas eigenartig anhört. Tropfen konstant in

einer Größe zu erzeugen, die mikroskopisch ist, also im Mikrometerbereich ist nicht so einfach. Vernebler haben eine ganz breite Größenverteilung. Das, was sehr gut und sehr systematisch die Tropfengröße festhält, sind die guten alten Tintenstrahldüsen, weil die mit elektrischen Effekten Tropfen generieren

und die sind sehr gut reproduzierbar. Was wir jetzt gemacht haben, wir wollten schauen, wie reagiert ein Tropfen mit einer Lichtebene, mit einem Lichtfront und wir konnten tatsächlich sehen, dass diese Tropfen an dieser Lichtebene reflektiert werden. Das heißt, was passiert ist, dass das Licht ab einer

gewissen Intensität tropfen reflektieren kann. Und wenn man das ausnutzt und weiterführt, dann kann man schließlich feststellen, dass man, wenn man die Elektrophoresen hat, hat man sowas wie ein optisches Trampolin. Man kann tatsächlich Tropfen in verschiedene Richtungen, je nach Größe selektieren, man kann Tropfen ordnen und sortieren und Tropfen lenken.

Das kann man allein mit einem Licht, sozusagen mit einem Lichtschnitt tun. Was man jetzt noch machen kann, ist, man kann einen Effekt nutzen, der auch mit Elektrophoresen zu tun hat. Wir wissen, dass elektrische Felder auch Kräfte

ausüben und Licht kann elektrische Felder erzeugen, indem wir Licht auf dieses Material schicken und das Material an der Oberfläche dann elektrische Felder erzeugen. Die Vision ist also, mit Licht elektrische Felder zu erzeugen und dann Partikel anzuordnen. Das gelingt. Das ist hier gesehen, können Sie hier sehen, hier haben wir unsere normalen Streifen und Strukturen, die wir vorher schon hatten, mit Licht erzeugt und dann

Partikel an der Oberfläche angeordnet. Und einer unserer Mitarbeiter wollte zeigen, dass man jede beliebige Struktur machen kann und kam auf das Geburtstag des Borges Atommodell und da sind hier auch Grafitpartikel angeordnet. Jetzt wollen wir das auch für Fluide machen und in Fluiden kann man genau dasselbe machen. Wir erzeugen uns jetzt ein

Westentaschenlabor, in dem man hier eine Fluidkammer hat und hier mischen kann und hier eine Reaktionskammer. Und was wir jetzt tun ist, wir nehmen ein solches Material, von dem wir gerade das besprochen haben und legen auf das Material diese Struktur, die wir jetzt mit Laserschrallschreiben in Polymeren erzeugt haben. Das heißt, einerseits haben wir eine Basis, die auf Licht

reagiert und Felder erzeugt und andererseits haben wir hier Tropfen. Und in so einem Fluidsystem kann man dann Tropfen erzeugen. Hier ist ein Beispiel, das ist ein Fluid, in dem es Lufttropfen erzeugen. Jetzt wollen wir diese Lufttropfen mit Licht manipulieren. Mit Licht erzeugen wir Ladung und die Ladung erzeugt dann eine Tropfenmanipulation

und da haben wir hier mal ein Beispiel. Wir erzeugen jetzt hier an dieser Stelle eine Lichtbarriere, die wird gleich angeschaltet und dann, wenn die Lichtbarriere auf einer optisch

induzierten Schiene die Tropfen propagieren lässt. Das sind jetzt dichtere Tropfen hier in einem Fluidmaterial und man sieht jetzt, dass diese Tropfen hier auf dieser Schiene entlanglaufen. Ich kann also mit Licht virtuelle Schienen, virtuelle Kanäle, virtuelle Barrieren erzeugen, jederzeit wieder wegnehmen und neu hinstellen und kann damit in unseren Westentaschenlaboren

Licht lenken, über Kreuz lenken, auf gewisse Wege lenken und kann damit wirklich statt Elektronen anzubringen mit diesem Licht ganz besondere Strukturen erzeugen, mit denen ich Licht kontrollieren kann. Damit bin ich mit meiner Reise durch die

Strukturen, ich hatte Ihnen einige photonische Strukturen gezeigt und Ihnen dann gezeigt, dass Licht, das dahin propagiert, sehr viel zu Fragen der fundamentalen Physik beitragen kann, zum Beispiel zum Tunneln oder zu Solitonen. Wenn man den Perspektivwechsel vornimmt, kann man aber mit Licht auch von unten nach oben kleine Partikel

anordnen und ganz besondere Wirkungen erzeugen, ob man nun Material anordnet, ob man Bakterien anordnet oder ob man zum Beispiel Tropfen anordnet. Deshalb würde ich sagen, diskrete Struktur durch Licht erzeugt, ist neue Struktur und besonders Struktur, die sowohl für Grundlagen und auch für Anwendung sehr viel Schönes und Attraktives bietet und das Licht wiederum kontrolliert.

Damit möchte ich meinen Mitarbeitern, die für diese Arbeit sehr viel beigetragen haben, danken unseren Geldgebern und natürlich auch Ihnen allen, dass Sie zugehört haben. Vielen Dank.