35 Millionen Euro, 210 Wissenschaftler*innen, 12 Jahre Forschung: Nach der h?chstm?glichen Laufzeit von drei F?rderperioden ist der Sonderforschungsbereich/TRR 142 ?Ma?geschneiderte nichtlineare Photonik: Von grundlegenden Konzepten zu funktionellen Strukturen“ im Dezember 2025 offiziell geendet. Mit ihrer Forschung haben die Wissenschaftler*innen der Universit?t Paderborn und der TU Dortmund viel bewegt und im wahrsten Sinne des Wortes Licht ins Dunkel gebracht. Die Expert*innen haben Materialien entwickelt, die kleiner sind als die Wellenl?nge des Lichts, winzige Lichtteilchen – die Photonen – pr?zise manipuliert, gesteuert und sogar teleportiert. 365体育_足球比分网￥投注直播官网 haben Quantenlichtquellen – unverzichtbare Hilfsmittel für Quantencomputer sowie ultraschnelle Kommunikation – und Tieftemperaturelektronik zur Steuerung von Quantenexperimenten hervorgebracht. Und das sind nur einige Beispiele. Vor allem aber haben sie essenzielle Beitr?ge zur internationalen Grundlagenforschung an optischen Systemen geleistet. Langfristig haben die Wissenschaftler*innen damit den Weg für effizientere optische Bauelemente und neue Technologien geebnet.
Nichtlineare Effekte
Ziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) war die Erforschung, Entwicklung und Konstruktion sogenannter nichtlinearer Photoniksysteme. Das sind – einfach ausgedrückt – Ver?nderungen von Lichtwellen, wie sie in der Natur, also in unserem Alltag, nicht vorkommen. Natürliche optische Erscheinungen sind linear. Wenn Licht und Materie interagieren, ?ndern lineare Effekte das einfallende Licht. Beispiele sind Reflexion oder Streuung. Die Wellenl?ngen bleiben dabei aber immer gleich. Mit einem Laser ist das anders: Er erm?glicht die Erzeugung nichtlinearer Effekte wie etwa der Frequenzverdopplung. Das entspricht der halben Wellenl?nge des ursprünglichen Lichts. Der TRR 142 hat Konzepte hervorgebracht, um neuartige nichtlineare Funktionalit?ten aus den Bereichen der Materialphysik und Quantenphotonik für Anwendungen im Bereich künftiger Informations- und Kommunikationstechnologien nutzbar zu machen.
Von den Grundlagen zur Anwendung
Die Wissenschaftler*innen haben modernste technologische M?glichkeiten für die Erforschung neuer physikalischer Eigenschaften und Ger?te genutzt, die auf ma?geschneiderten, starken Nichtlinearit?ten und echten Quanteneffekten basieren. ?Wir wollten nichtlineare optische und Quanteneffekte aus dem Stadium der physikalischen Grundlagenforschung in die Anwendung bringen“, sagt Prof. Dr. Thomas Zentgraf vom Department Physik der Universit?t Paderborn, Sprecher des SFB. Dafür wurden die Kernkompetenzen der Universit?t Paderborn in den Bereichen photonische Materialien, Festk?rpertechnologie, Quantenoptik und Theorie mit denen der TU Dortmund in der nichtlinearen Spektroskopie und Instrumentierung zusammengebracht. Das Team hat sich auf das Ma?schneidern nichtlinearer Wechselwirkungen, die Kontrolle von Quantensystemen, Lichtemission und -ausbreitung sowie Nichtlinearit?ten auf der Einzelphotonen-Ebene konzentriert – echte Pionierarbeit, wie sich sp?ter herausstellte. ?Der TRR 142 hat ma?geblich zur Weiterentwicklung der nichtlinearen Photonik und der Quantenoptik beigetragen und mit seiner interdisziplin?ren Spitzenforschung die Grundlagen für zukunftstr?chtige Technologien gelegt. Durch die erfolgreiche Verknüpfung von Theorie, Materialforschung und experimenteller Praxis hat er die wissenschaftliche Exzellenz der Universit?t Paderborn gest?rkt“, sagt Universit?tspr?sident Prof. Dr. Matthias Bauer.
Abh?rsichere Kommunikation durch Manipulation
Ein prominenter Anwendungsfall der SFB-Forschung ist die verschlüsselte, abh?rsichere Kommunikation. Denn die gewonnenen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Photonikforschung machen genau das m?glich. Für eine Codierung der transportierten Daten haben die Wissenschaftler*innen u. a. optische Eigenschaften – also die Ausbreitung und ?bertragung des Lichts – gezielt ver?ndert. Dafür haben sie sogenannte Meta-Oberfl?chen entwickelt. Das sind künstliche Bauelemente, die die Lichtwellen beeinflussen. Bisher waren diese Materialien für einen effizienten Einsatz weder ausgelegt noch ausreichend erforscht. ?365体育_足球比分网￥投注直播官网 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 ?ndern k?nnen“, so Prof. Zentgraf. ?Dadurch k?nnen neue Frequenzen erreicht werden, ohne die eine gezielte Manipulation nicht m?glich w?re.“
Pionierarbeiten in der integrierten Optik
Durch diese Anordnung von Nanostrukturen auf Oberfl?chen konnten künstliche Materialien realisiert werden, deren lineares und nichtlineares optisches Verhalten einstellbar ist. Ihre Funktionalit?t geht weit über die klassischer Materialien hinaus. Das erm?glicht 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 der Vorhaben waren technologische Pionierarbeiten im Bereich der integrierten Optik, wie etwa die Entwicklung effizienter Wellenleiter für die Frequenzkonversion. Durch zielgerichtete Nutzung dieser technologischen Entwicklungen konnten integriert-optische Frequenzkonverter, Quanten-Lichtquellen und nichtlineare Interferometer realisiert werden, die unverzichtbare Schlüsselbauelemente für die optischen Quantentechnologien sind.
Meilensteine: Quantenpunkte und Quantenteleportation
Quantentechnologien bieten viele neuartige M?glichkeiten, Information zu verarbeiten, zu übertragen und pr?zise Messungen durchzuführen. Da der Schutz von sensiblen Daten und Informationen zunehmend wichtiger wird, gewinnen entsprechende Kommunikationsnetzwerke an Bedeutung. In diesem Zusammenhang spielen auch Halbleiter-Quantenpunkte eine wichtige Rolle. Das sind winzige Strukturen, die sich wie künstliche Atome verhalten. Mit pr?ziser Laseranregung k?nnen sie einzelne Photonen exakt steuern und Einzelphotonenquellen realisieren, eine essenzielle Grundlage für die absolut sichere Kommunikation mittels Quanten. Den Paderborner Physiker*innen 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 Empf?nger werden miteinander verschr?nkt. Dafür bedarf es Quellen, die ununterscheidbare Photonen produzieren.
Forschung für die Photonik der Zukunft
?Die enge Kooperation zweier herausragender Partner aus der Festk?rperphysik und der optischen Spektroskopie hat einen starken Verbund geschaffen, der sich der Erforschung und Entwicklung der nichtlinearen Photonik der Zukunft verschrieben hat. Mit modernsten theoretischen Ans?tzen und innovativen experimentellen Methoden konnten wir grundlegende physikalische Fragestellungen sowie neue Bauelementdesigns untersuchen – basierend auf ma?geschneiderten Nichtlinearit?ten sowie fundamentalen Quanteneffekten“, h?lt Prof. Zentgraf fest. Die gemeinsam erzielten Resultate sind Meilensteine auf dem Weg zu künftigen oder bereits in der Evaluierungsphase befindlichen Informationstechnologien, wie etwa der Quantenkommunikation oder der optischen Quanteninformationsverarbeitung. Der TRR 142 hat damit Grundlagen zur Erlangung technologischer Souver?nit?t geschaffen, um neue M?rkte für optische Zukunftstechnologien zu erschlie?en.
Sonderforschungsbereiche sind langfristige angelegte Forschungseinrichtungen der Hochschulen, in denen Wissenschaftler*innen im Rahmen eines f?cherübergreifenden Forschungsprogramms zusammenarbeiten. 365体育_足球比分网￥投注直播官网 erm?glichen die Bearbeitung innovativer, anspruchsvoller, aufwendiger und langfristig konzipierter Forschungsvorhaben durch Koordination und Konzentration von Personen und Ressourcen in den antragstellenden Hochschulen. 365体育_足球比分网￥投注直播官网 werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für eine Dauer von bis zu 12 Jahren gef?rdert, eine F?rderperiode umfasst vier Jahre.
