Paderborner Forscher enthüllen Revolution in der Nanophotonik!
Die Universität Paderborn hat große Fortschritte im Bereich der Photonik erzielt. Drei Arbeitsgruppen des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) und des Departments Physik haben in zwei aktuellen Veröffentlichungen innovative Ansätze zur Manipulation von Licht auf der Nanoskala untersucht. Dabei bewegen sich die Arbeiten an der Schnittstelle zwischen klassischer Optik und topologischer Physik, was die Forschung auf diesem Gebiet besonders spannend macht. Die Resultate eröffnen interessante Perspektiven für zukünftige Anwendungen und Technologien.
In der ersten Publikation, die gemeinsam von der Gruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Zentgraf und der Gruppe „Theorie funktionaler photonischer Strukturen“ von Prof. Dr. Stefan Schumacher verfasst wurde, steht die Untersuchung einer sinusoidal modulierten Silizium-Metasurface im Fokus. Die beiden Promovierenden, Helene Wetter und Jan Wingenbach, haben spannende Ergebnisse erzielt, die die Erzeugung ungewöhnlicher Polarisationszustände durch Nahfeldkopplungen dokumentieren. Dabei konnten sie nachweisen, dass linear und zirkular polarisierte Lichtzustände entlang bestimmter Einfallswinkel aus einem gemeinsamen Dirac-Punkt entstehen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung winkelabhängiger Polarisationsfilter und liefert wichtige Einblicke in die Nanofabrikation.
Das neue Licht im Detail
Die zweite Veröffentlichung stammt von Prof. Schumacher und der Gruppe „Theoretische Quantensysteme“ unter der Leitung von Prof. Dr. Jan Sperling. Hier arbeitete das Team eng mit Wissenschaftler*innen der University of Arizona zusammen. Im Mittelpunkt dieser Studie standen nicht-Hermitesche optische Resonatoren, in denen exzeptionelle Ringe (ERs) mit Modenverschmelzung und speziellen topologischen Eigenschaften nachgewiesen werden konnten. Die Bildung dieser Ringe erfolgt durch zirkularen Dichroismus und TE–TM-Splitting in planaren optischen Resonatoren. Das Verhalten der Singularitäten in nichtlinearen Systemen wurde ebenfalls untersucht, wobei die Demonstration der Kerr-Nichtlinearität besonders hervorzuheben ist. Diese spaltet einen einzelnen Ring in eine geschlossene Oberfläche aus Ringen, was das Potenzial für zukünftige Entwicklungen in der optischen Sensorik und der Signalverarbeitung aufzeigt.
Beide Ansätze verdeutlichen, dass die kontrollierte Kopplung und die strukturelle Symmetriebrechung zu außergewöhnlichen Lichtzuständen führen können, wodurch sich neue Dimensionen in der Nutzung von Licht erschließen. Die Ergebnisse beider Publikationen wurden in dem Fachjournal „ACS Photonics“ veröffentlicht, wobei die zweite Arbeit als Coverstory ausgezeichnet wurde.
Anwendungen der Photonik
Die Entwicklungen in der Photonik sind nicht nur in der Grundlagenforschung von Bedeutung, sondern finden auch Anwendung in verschiedenen Bereichen. Laut Wikipedia wird die Photonik in vier Hauptfelder unterteilt: Beleuchtung und Displays, industrielle Fertigung und Qualitätssicherung, Information und Kommunikation sowie Life Sciences. Im Zeitalter der digitalen Kommunikation ist die optische Kommunikation über große Entfernungen mit glasfaserbasierten Netzen zum Standard geworden. Diese Technologien ermöglichen hohe Datenkapazitäten und machen in Haushalten Geschwindigkeiten von bis zu 1 GBit/s möglich.
In der industriellen Fertigung kommt Photonik ebenfalls massiv zum Einsatz, etwa in der Messtechnik zur Oberflächenkontrolle. Aber auch in den Life Sciences hat die Biophotonik spannende Entwicklungen hervorgebracht, wie die Erweiterung der Mikroskopie und den Einsatz optischer Pinzetten für die Handhabung mikroskopischer Teilchen. Die Beleuchtungstechnik hat mit Flüssigkristallbildschirmen und hochmodernen LEDs ebenfalls einen Sprung gemacht, der die Art und Weise, wie wir Licht erleben, revolutioniert hat.
Insgesamt zeigt sich, dass die Fortschritte der Universität Paderborn nicht nur das akademische Feld bereichern, sondern auch maßgeblichen Einfluss auf technologische Entwicklungen und Anwendungen in verschiedensten Sektoren haben könnten.