Forschung & Entwicklung

Metaoberflächen für die Veränderung von Lichteigenschaften

Verschlüsselte Kommunikation durch die Manipulation von Licht soll mithilfe von Metamaterialien möglich werden.

Um optische Eigenschaften gezielt zu verändern, sollen künftig sogenannte Metaoberflächen zum Einsatz kommen. Das sind künstliche Bauelemente, die die Eigenschaften von Lichtwellen beeinflussen können. Allerdings sind diese Materialien für einen industriellen und effizienten Einsatz bisher nicht ausreichend erforscht worden. Um das zu ändern, untersuchen Wissenschaftler der Universität Paderborn und des Beijing Institute of Technology, China, jetzt in einem gemeinsamen Forschungsprojekt, wie deren Effizienz verbessert werden kann. Darüber hinaus wollen die Physiker Oberflächen mit Nanostrukturen entwickeln, die gleich mehrere Eigenschaften des Lichts manipulieren können. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die National Science Foundation of China (NSFC) unterstützen das auf zunächst drei Jahre ausgelegte Vorhaben mit rund 500 000 Euro.

„Um im Rahmen der Quantenkommunikation die mittels Licht transportierten Daten abhörsicher zu machen und kodieren zu können, müssen die Eigenschaften des Lichts, das dabei verwendet wird, manipuliert werden. Dafür werden häufig traditionelle optische Bauelemente zusammen mit optoelektronischen Strahlformern eingesetzt, bei denen es um die Wechselwirkung von Licht mit Materie geht – ähnlich eines modernen Chips bei Digitalkameras. Diese Elemente sind allerdings nicht nur teuer, sondern auch groß“, erklärt Projektleiter Professor Thomas Zentgraf vom Department Physik.

Sogenannte Metamaterialen, deren Oberflächen zum Beispiel aus nanoskopischen Strukturen bestehen, ermöglichen diese Manipulation bereits in sehr dünnen Schichten. Sie bestehen aus künstlich hergestellten Strukturen, deren optischen, magnetischen oder elektrischen Eigenschaften in der Natur nicht vorkommen. Ihr Vorteil ist, dass sie Strahlung brechen und sogar ändern können.

Durch den Einsatz von moderner Nanotechnologie können Materialien nahezu auf atomarer Ebene strukturiert werden. Das wiederum macht sie zu synthetischen Metamaterialien, mit denen Lichtstrahlen auf kleinstem Raum geformt oder Frequenzen umgewandelt werden können. Mithilfe der Nanostrukturierung können inzwischen selbst nichtlineare Eigenschaften gezielt beeinflusst werden, was bislang mit traditionellen Ansätzen kaum möglich war. „Nichtlineare Effekte treten dann auf, wenn äußere Elektronen intensiv ins Schwingen geraten. Dadurch können neue Frequenzen erreicht werden, ohne die eine gezielte Manipulation nicht möglich wäre“, erklärt Zentgraf.

Zur Erhöhung der Funktionalität optischer Metaoberflächen untersuchen die Wissenschaftler jetzt das Problem der gleichzeitigen Modifikation von mehreren Strahlenparametern. Damit gemeint sind zum Beispiel Änderungen der Polarisation, Phase oder Amplitude einer Welle. Diese Parameter, die für die Informationscodierung und -übertragung genutzt werden können, bestimmen die Effizienz der Metamaterialien.

Die Physiker um Zentgraf planen sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen. In insgesamt vier Teilbereichen geht es unter anderem um neue fundamentale Designmethoden, wie zum Beispiel Deep Learning mittels neuronaler Netze für ein schnelleres Design, Multifunktionalität sowie die aktive Kontrolle von linearen und nicht linear optischen Effekten.

von mn

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