14 Jan. 12 Jahre nichtlineare Photonik: Sonderforschungsbereich abgeschlossen
Nach der höchstmöglichen Laufzeit von drei Förderperioden ist der Sonderforschungsbereich CRC/TRR 142 ‚Maßgeschneiderte nichtlineare Photonik: Von grundlegenden Konzepten zu funktionellen Strukturen‘ im Dezember 2025 abgeschlossen worden. Beteiligt waren in den 12 Jahren Forschung 210 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Die Fördersumme betrug 35 Millionen Euro.
Nichtlineare Effekte für zukünftige Anwendungen
Prof. Thomas Zentgraf, Sprecher des SFBs, lieferte einen Überblick über 12 Jahre CRC TRR 142. Bild: Universität Paderborn, Besim Mazhiqi
Ziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) war die Erforschung, Entwicklung und Konstruktion von nichtlinearen Photoniksystemen. Wenn Licht und Materie interagieren, ändern lineare Effekte das einfallende Licht. Beispiele sind Reflexion oder Streuung. Die Wellenlängen bleiben dabei aber gleich. Mit einem Laser ist das anders: Er ermöglicht die Erzeugung nichtlinearer Effekte wie etwa der Frequenzverdopplung. Der TRR 142 hat nach Angaben der Beteiligten Konzepte hervorgebracht, um neuartige nichtlineare Funktionalitäten aus den Bereichen der Materialphysik und Quantenphotonik für Anwendungen im Bereich künftiger Informations- und Kommunikationstechnologien nutzbar zu machen.
Aus der Grundlagenforschung herauskommen
„Wir wollten nichtlineare optische und Quanteneffekte aus dem Stadium der physikalischen Grundlagenforschung in die Anwendung bringen“, sagt Prof. Thomas Zentgraf vom Department Physik der Universität Paderborn, Sprecher des SFB. Dafür wurden laut Zentgraf die Kernkompetenzen der Universität Paderborn in den Bereichen photonische Materialien, Festkörpertechnologie, Quantenoptik und Theorie mit denen der TU Dortmund in der nichtlinearen Spektroskopie und Instrumentierung zusammengebracht. Das Team hat sich auf das Maßschneidern nichtlinearer Wechselwirkungen, die Kontrolle von Quantensystemen, Lichtemission und -ausbreitung sowie Nichtlinearitäten auf der Einzelphotonenebene konzentriert. „Der TRR 142 hat maßgeblich zur Weiterentwicklung der nichtlinearen Photonik und der Quantenoptik beigetragen und mit seiner interdisziplinären Spitzenforschung die Grundlagen für zukunftsträchtige Technologien gelegt“, sagt Universitätspräsident Prof. Matthias Bauer.
Ergebnisse wurden auch im Rahmen einer Postersession präsentiert. Bild: Universität Paderborn, Besim Mazhiqi
Abhörsichere Kommunikation durch Manipulation
Ein Anwendungsfall der SFB-Forschung ist die verschlüsselte, abhörsichere Kommunikation. Für eine Codierung der transportierten Daten haben die Forschenden unter anderem optische Eigenschaften gezielt verändert. Dafür haben sie Metaoberflächen entwickelt. Bisher waren Materialien für einen effizienten Einsatz weder ausgelegt noch ausreichend erforscht. „Sie bestehen aus künstlich hergestellten Strukturen, deren optische, magnetische oder elektrische Eigenschaften in der Natur nicht vorkommen. Ihr Vorteil ist, dass sie Strahlung brechen und sogar ändern können“, so Zentgraf. „Dadurch können neue Frequenzen erreicht werden, ohne die eine gezielte Manipulation nicht möglich wäre.“
Durch diese Anordnung von Nanostrukturen auf Oberflächen konnten künstliche Materialien realisiert werden, deren lineares und nichtlineares optisches Verhalten einstellbar ist. Ihre Funktionalität geht weit über die von klassischen Materialien hinaus. Das ermöglicht kompakte optische Bauelemente für die Frequenzkonversion oder die Kontrolle der Lichtausbreitung. Die Forschung im Bereich der Quantenphotonik war auf die Quantenkommunikation, Quantensensorik und Quanteninformationsverarbeitung ausgerichtet. Eine wichtige Grundlage für die Umsetzung war die integrierte Optik. Etwa die Entwicklung effizienter Wellenleiter für die Frequenzkonversion. Durch zielgerichtete Nutzung dieser technologischen Entwicklungen konnten nach Angaben der Forschenden integriert-optische Frequenzkonverter, Quantenlichtquellen und nichtlineare Interferometer realisiert werden, die unverzichtbare Schlüsselbauelemente für die optischen Quantentechnologien sind.
Quantenpunkte und Quantenteleportation
Quantentechnologien bieten viele neuartige Möglichkeiten, Information zu verarbeiten, zu übertragen und präzise Messungen durchzuführen. Da der Schutz von sensiblen Daten und Informationen zunehmend wichtiger wird, gewinnen entsprechende Kommunikationsnetzwerke an Bedeutung. Halbleiterquantenpunkte können hier eine wichtige Rolle einnehmen. Quantenpunkte verhalten sich wie künstliche Atome: Mit präziser Laseranregung lassen sich mit ihnen einzelne Photonen exakt steuern und Einzelphotonenquellen realisieren; eine essenzielle Grundlage für die sichere Kommunikation mittels Quanten. Den Paderborner Physikerinnen und Physikern ist es – neben der Herstellung solcher Strukturen – zudem gelungen, die sogenannte Quantenteleportation mithilfe unvollkommener Quantenpunkte, also künstlicher Materialstrukturen, zu realisieren. Dabei wird der Zustand eines Photons auf ein anderes übertragen. Sender und Empfänger werden miteinander verschränkt. Dafür bedarf es Quellen, die ununterscheidbare Photonen produzieren.
Die Abschlussveranstaltung bot noch einmal die Möglichkeit für Diskussionen rund um den Sonderforschungsbereich. Bild: Universität Paderborn, Besim Mazhiqi
Forschung für die Zukunft
Sonderforschungsbereiche sind langfristige angelegte Forschungseinrichtungen der Hochschulen, in denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen eines fächerübergreifenden Forschungsprogramms zusammenarbeiten. Sie ermöglichen die Bearbeitung innovativer, anspruchsvoller, aufwendiger und langfristig konzipierter Forschungsvorhaben durch Koordination und Konzentration von Personen und Ressourcen in den antragstellenden Hochschulen. Sie werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für eine Dauer von bis zu 12 Jahren gefördert, eine Förderperiode umfasst vier Jahre.
Informationen zum TRR gibt es unter: trr142.uni-paderborn.de
Quelle: www.uni-paderborn.de
Bild: Universität Paderborn, Besim Mazhiqi