12.06.2023

Nichtlineare Optik auf atomaren Skalen

Großforschungsprojekt erhält Förderung für weitere vier Jahre.

Wenn Licht auf Materie trifft, hängen die Wechselwirkungen vor allem vom Material und von der Intensität der Lichtquelle ab. Solche Zusammenhänge sind bekannt und bestens beschrieben. Wenn Licht auf Nanostrukturen oder atomar dünne Schichten trifft oder die Licht­intensität extrem hoch ist, dann ist eine präzise wissenschaftliche Beschreibung der Wechsel­wirkung für viele Systeme noch möglich. Mit der Entwicklung solcher Theorien und ihrer praktischen Umsetzungen hat sich seit 2019 der Sonder­forschungs­bereich (SFB) 1375 „NOA – Nichtlineare Optik auf Atomaren Skalen“ an der Universität Jena beschäftigt. Mit Erfolg, wie die weitere Förderung des Groß­forschungs­projekts durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) belegt. Die Forschungs­förder­organisation hat jetzt rund elf Millionen Euro bewilligt, mit denen die Forschung zu Licht-Materie-Wechsel­wirkungen in Jena und bei den Partnern ab 1. Juli für weitere vier Jahre unterstützt wird.

 

Abb.: Experimente zu nichtlinearen optischen Effekten in einem Labor der...
Abb.: Experimente zu nichtlinearen optischen Effekten in einem Labor der Universität Jena. (Bild: J. Meyer / U. Jena)

Phänomene der nichtlinearen Optik treten auf, wenn Laserlicht mit extrem hoher Intensität auf Materie trifft. Neben dem ursprünglichen Laserstrahl entsteht durch die Wechselwirkung mit den Ladungsträgern des Materials auch Strahlung kürzerer Wellenlängen – ein Effekt, der sich mit steigender Intensität potenziert und daher als nichtlinear bezeichnet wird.

Im Sonderforschungsbereich wird das interdisziplinäre Team um Stefanie Gräfe und Ulf Peschel grundlegende nichtlineare optische Prozesse der Licht-Materie-Wechselwirkung bis zur atomaren Ebene erforschen. Dazu wurden in der ersten Förderphase erfolgreich theoretische Methoden, Verfahren und numerische Schemata entwickelt und angewendet sowie künstliche, mit atomarer Präzision geformte Materie wie atomar dünne und quasi-zweidimensionale Schichten, auch bekannt als 2D-Materialien, eindimensionale Nanodrähte und -partikel oder Quantenpunkte und deren nichtlineare Wechsel­wirkung mit Licht experimentell untersucht.

Nachdem diese Systeme einzeln analysiert und beschrieben wurden, wird NOA in der zweiten Förderphase Systeme mit gemischter Dimensionalität untersuchen: Dazu gehören chemisch oder elektronisch modifizierte Nanodrähte oder -folien, Einzel­photonen­emitter in 2D-Materialien oder atomar dünn geschichtete Materialien. Das Ziel dabei ist es, die jeweilige nichtlineare optische Antwort maß­zuschneidern. Neu im SFB sind Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenoptik. Darüber hinaus wird die Vermittlung der neuen Erkenntnisse an die breite Öffentlichkeit ein weiteres Ziel in der kommenden Förder­phase sein. Entwickelt werden soll ein attraktives didaktisches Konzept sowohl für das allgemeine Publikum als auch für die Schule. Dazu wird das Forschungs­team unter anderem mit dem Deutschen Optischen Museum zusammen­arbeiten.

„Mit diesem kombinierten Ansatz wird NOA in der Lage sein, neue Paradigmen für die nicht­lineare Optik bis zu atomaren Maßstäben zu etablieren, und dies nicht nur im Hinblick auf Grundlagen, sondern auch auf Anwendungen“, ist die künftige NOA-Sprecherin Stefanie Gräfe überzeugt. Gelingt das, winken attraktive Anwendungen, angefangen von winzigen Nanolasern über extrem kompakte Röntgen­quellen bis hin zur optischen Detektion weniger Atome. Am Ende ließen sich vielleicht sogar chemische Reaktionen zwischen einzelnen Molekülen in Echtzeit beobachten – eine Dimension, in die lineare optische Systeme nicht vordringen können.

Im Rahmen des SFBs arbeitet die Friedrich-Schiller-Universität Jena mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik sowie dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena, aber auch mit der Humboldt-Universität Berlin und der TU München zusammen.

U. Jena / DE

 

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