Licht für optische Zukunftstechnologien: Erfolgreicher Abschluss des Sonderforschungsbereichs TRR 142

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35 Millionen Euro, 210 Wissenschaftler*innen,12 Jahre Forschung: Nach der
höchstmöglichen Laufzeit von drei Förderperioden ist der
Sonderforschungsbereich/TRR 142 „Maßgeschneiderte nichtlineare Photonik:
Von grundlegenden Konzepten zu funktionellen Strukturen“ im Dezember 2025
offiziell geendet. Mit ihrer Forschung haben die Wissenschaftler*innen der
Universität 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
Wellenlänge des Lichts, winzige Lichtteilchen – die Photonen – präzise
manipuliert, gesteuert und sogar teleportiert. Sie 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 Beiträge 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 – Veränderungen von Lichtwellen, wie sie in der Natur,
also in unserem Alltag, nicht vorkommen. Natürliche optische Erscheinungen
sind linear. Wenn Licht und Materie interagieren, ändern lineare Effekte
das einfallende Licht. Beispiele sind Reflexion oder Streuung. Die
Wellenlängen bleiben dabei aber immer gleich. Mit einem Laser ist das
anders: Er ermöglicht die Erzeugung nichtlinearer Effekte wie etwa der
Frequenzverdopplung. Das entspricht der halben Wellenlänge des
ursprünglichen Lichts. Der TRR 142 hat Konzepte hervorgebracht, um
neuartige nichtlineare Funktionalitäten 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 Möglichkeiten für
die Erforschung neuer physikalischer Eigenschaften und Geräte genutzt, die
auf maßgeschneiderten, starken Nichtlinearitäten 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 Universität Paderborn, Sprecher des SFB. Dafür wurden 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 Einzelphotonen-Ebene
konzentriert – echte Pionierarbeit, wie sich später herausstellte. „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.
Durch die erfolgreiche Verknüpfung von Theorie, Materialforschung und
experimenteller Praxis hat er die wissenschaftliche Exzellenz der
Universität Paderborn gestärkt“, sagt Universitätspräsident Prof. Dr.
Matthias Bauer.

Abhörsichere Kommunikation durch Manipulation

Ein prominenter Anwendungsfall der SFB-Forschung ist die verschlüsselte,
abhörsichere Kommunikation. Denn die gewonnenen Erkenntnisse auf dem
Gebiet der Photonikforschung machen genau das möglich. Für eine Codierung
der transportierten Daten haben die Wissenschaftler*innen u. a. optische
Eigenschaften – also die Ausbreitung und Übertragung des Lichts – gezielt
verändert. Dafür haben sie sogenannte Meta-Oberflächen entwickelt. Das
sind künstliche Bauelemente, die die Lichtwellen beeinflussen. Bisher
waren diese 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 Prof. Zentgraf. „Dadurch können neue Frequenzen
erreicht werden, ohne die eine gezielte Manipulation nicht möglich wäre.“

Pionierarbeiten in der integrierten Optik

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 klassischer 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 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 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. In diesem
Zusammenhang spielen auch Halbleiter-Quantenpunkte eine wichtige Rolle.
Das sind winzige Strukturen, die sich wie künstliche Atome verhalten. Mit
präziser Laseranregung können 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
Empfänger werden miteinander verschränkt. Dafür bedarf es Quellen, die
ununterscheidbare Photonen produzieren.

Forschung für die Photonik der Zukunft

„Die enge Kooperation zweier herausragender Partner aus der
Festkörperphysik 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
Ansätzen und innovativen experimentellen Methoden konnten wir grundlegende
physikalische Fragestellungen sowie neue Bauelementdesigns untersuchen –
basierend auf maßgeschneiderten Nichtlinearitäten sowie fundamentalen
Quanteneffekten“, hält 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
Souveränität geschaffen, um neue Märkte für optische Zukunftstechnologien
zu erschließen.

Sonderforschungsbereiche sind langfristige angelegte
Forschungseinrichtungen der Hochschulen, in denen Wissenschaftler*innen 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: https://trr142.uni-paderborn.de/