Porträt : Blitze aus der Nanowelt

Die Physikerin Kathy Lüdge von der Technischen Universität Berlin erforscht eine besondere Art von Lasern. Sie können helfen, Daten im Internet schneller und sicherer zu übertragen.

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Kathy Lüdge.
Kathy Lüdge.Foto: Doris Spiekermann-Klaas

„Baust du mir ein Laserschwert?“ Diese Frage hört Kathy Lüdge oft von ihren beiden Kindern. Und sie sind damit bei ihr nicht unbedingt an der falschen Adresse. Die Physikerin an der Technischen Universität Berlin erforscht nämlich das Verhalten von Quantenpunktlasern. Für ihre Arbeit wurde sie kürzlich mit dem Karl-Scheel-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin ausgezeichnet.

Geht es um Laser, denken viele an CD-Brenner, Augenoperationen oder an ein Werkzeug zum Zerschneiden von sehr festem Material, das in Filmen wie dem James-Bond-Streifen „Goldfinger“ auch zu einer Waffe von delikater Zerstörungskraft umfunktioniert werden kann. Bei diesen Lasern wird die hohe Energie des gebündelten Lichtstrahls dazu verwendet, ein Material zum Verbrennen oder zum Schmelzen zu bringen.

Mit solchen Lasern hat Kathy Lüdge nichts zu tun. In ihrer Arbeit geht es um Techniken, die das Internet noch schneller machen und Telefongespräche noch klarer. Um das zu erläutern, muss die Mittdreißigerin etwas ausholen: „Wenn ich eine Webseite in den USA aufrufe, muss diese per Glasfaserkabel durch den Atlantik hindurch bis zu mir übertragen werden. Das geschieht mit optischen Methoden, per Laser.“ Dateien wie Telefongespräche werden in Bits umgewandelt, also Nullen und Einsen, die dann mit einem Lichtsignal durch die Kabel gejagt werden – ähnlich, wie wenn jemand mit einer Taschenlampe eine Nachricht im Morsealphabet verfasst.

Das ist deutlich schneller und in größerem Umfang möglich als auf elektrischem Wege. Die ersten via Kupferkabel geführten Telefongespräche zwischen dem alten und dem neuen Kontinent funktionierten noch so, der Schall der Worte wurde umgewandelt in ein elektrisches Signal, das beim Empfänger wieder in Schallwellen rückverwandelt wurde.

TAT 1, das erste transatlantische Telefonkabel aus den 50er Jahren, hatte nur 36 Kanäle – entsprechend wenige Telefonate waren parallel möglich. TAT 8 als erstes Übersee-Glasfaserkabel im Jahr 1988 war dagegen mit 40 000 Kanälen eine Revolution. Inzwischen bemisst man Glasfaserkabel nach ihrer Bitrate, die bei den Überseekabeln zwischen Europa und Amerika und zwischen Amerika und Asien mittlerweile im Bereich von Gigabits und Terabits pro Sekunde liegt. „Diese Bandbreite lässt sich erreichen, weil man das Licht sehr schnell und mit verschiedenen Wellenlängen, also in verschiedenen Farben gleichzeitig durch die Kabel schicken kann“, sagt Lüdge.

Genau hier setzt ihre Forschungsarbeit an. Lüdge modelliert Quantenpunktlaser. Quantenpunkte sind winzig kleine, pyramidenförmige Strukturen in Halbleiterkristallen, die extrem kurze Lichtpulse erzeugen können. Sie bilden sich beim Wachstum unter streng kontrollierten Bedingungen, so dass Schicht für Schicht ein Kristall mit genau den gewünschten optischen Eigenschaften entsteht.

Mehr als 50 Millionen gleichartiger Quantenpunkte, hat sie einmal für ihre Kinder ausgerechnet, sind in einem Quantenpunktlaser enthalten, obwohl dieser nur einen Millimeter lang und einige Mikrometer hoch und breit ist. Je nach Größe und Struktur senden diese Quantenpunkte Licht mit verschiedenen Wellenlängen aus. Damit haben sie klare Vorteile gegenüber klassischen Halbleiterlasern: Sie verbrauchen nicht nur weniger Energie, sondern sie können auch mehr Lichtfarben abdecken.

„Man kann bei klassischen Halbleiterkristallen die chemische Zusammensetzung des Halbleiters ändern, aber sonst ist die Wellenlänge, also die Farbe des emittierten Lichts, festgelegt“, sagt Lüdge. „Bei den Quantenpunkten dagegen ist die Wellenlänge nicht nur durch die chemische Struktur vorgegeben, sondern auch noch durch die Größe.“ Für die Betreiber von Glasfaserkabeln heißt das, sie können Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge parallel durch ein Kabel leiten. Für die Nutzer bedeuten die winzigen Kristallpyramiden, dass sie in der gleichen Zeit noch mehr Daten herunterladen können.

Wenn Lüdge von Lasern spricht, dann wird die Technik hinter der Datenkommunikation verständlich. Wird die Materie etwas diffiziler, lacht sie gerne, als wolle sie damit die Komplexität der physikalischen Prozesse wegwischen.

Früher hat sie selbst solche Kristallstrukturen „gewachsen“, wie es in der Sprache der Halbleiterforscher heißt. Vor einigen Jahren ist sie aber auf die theoretische Seite gewechselt, an den Lehrstuhl von Eckehard Schöll.

In ihrem Büro im siebten Stock des Physikinstituts – zwölf Quadratmeter, die sie sich mit einer Kollegin teilt – berechnet sie, was die Laserbauer aus dem fünften Stock bei ihren Experimenten im besten Fall bestätigen. Entstanden ist dabei ein physikalisches Modell, mit dem sich am Computer vorhersagen lässt, was sich am Verhalten der Quantenpunktlaser ändert, wenn man „etwas an dem einen oder anderen Parameter dreht“.

Jetzt befasst sie sich damit, was passiert, wenn ein Laser gestört wird. Wird beispielsweise mit einem Spiegel in einen ständig strahlenden Laser hinein sein eigenes Licht reflektiert, verhält er sich auf einmal chaotisch. Er beginnt zu pulsen, geht an und aus, scheinbar ohne jede Regelmäßigkeit. „Das ist aber keineswegs ein Manko, denn die Ingenieure können die Laser gegen ungewollte Strahleneinflüsse sehr gut abschirmen“, erläutert Lüdge. „Das Chaos ist außerdem deterministisch, es lässt sich also nach den Gesetzen der Physik beschreiben.“

Das ist zwar mühselig, denn eine Nanosekunde ist für Laserspezialisten endlos lange, gemessen an der Vielzahl von Prozessen, die in diesem Zeitraum ablaufen. Allerdings lassen sich auf diesem Wege Daten verschlüsseln - genau darum geht es vielen Forschern. Es braucht nur am anderen Ende der Leitung eine Vorrichtung, die jenes Chaos wieder zurücknimmt, und schon kommen hinter dem wilden Blinken eines Lasers wieder Nullen und Einsen zum Vorschein.

Obwohl Lüdge als theoretische Physikerin tief in die quantenmechanischen Wechselwirkungen der Elektronen im Festkörper hineinblickt, ist ihre Arbeit durchaus anwendungsbezogen, noch dazu in einem zukunftsträchtigen Forschungszweig. Beste Aussichten für eine vielversprechende Wissenschaftlerin, möchte man meinen. Doch ihr Blick in die eigene Zukunft ist nicht frei von Sorgen. Mit der Habilitation in der Tasche lässt das deutsche Wissenschaftssystem ihr nur zwei Möglichkeiten: sich in befristeten Verträgen von Forschungsprojekt zu Forschungsprojekt zu hangeln oder bald eine Stelle als Professorin zu finden. Allerdings sind diese Stellen rar gesät.

„Es fehlt an den deutschen Universitäten ein akademischer Mittelbau, wie er sich beispielsweise in England oder den USA findet“, meint Lüdge. Viele fähige Kollegen habe sie schon erlebt, die sich allein deshalb aus der Wissenschaft zurückgezogen oder das Land verlassen haben. Zwar stünde es ihr offen, sich auf Stellen in anderen Ländern zu bewerben. „Da wird die viel zitierte Flexibilität in der Wissenschaft verlangt“, sagt sie. „Aber das ist mit Familie eben nicht so einfach zu machen.“

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