Wenn Licht auf ein Atom trifft

Jena / 6. Juni 2023

Mit elf Millionen Euro fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) den Sonderforschungsbereich »NOA – Nichtlineare Optik auf Atomaren Skalen« an der Universität Jena. Seit 2019 wird hier For­schung zu Fragen der Licht-Materie-Wechselwirkung vorangetrieben. Mit der neuen Förderung startet der Sonderforschungsbereich ab dem 1. Juli nun in vier weitere Jahre. Neu sind Forschungen auf dem Gebiet der Quantenoptik. Zu den Partnern des Sonderforschungsbereichs gehört auch das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF.

Wenn Licht auf Materie trifft, hängen die Wechselwirkungen vor allem vom Material und von der Intensität der Lichtquelle ab – eine Taschenlampe beleuchtet einen Stein lediglich, während ein Hochleistungslaser ein Loch in den Stein brennen kann. Solche Zusammenhänge sind bekannt und bestens beschrieben. Wenn aber 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 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.

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.

Interdisziplinär den Wechselwirkungen bis auf atomare Ebene auf der Spur

Im Sonderforschungsbereich wird das interdisziplinäre Team um Prof. Dr. Stefanie Gräfe und Prof. Dr. 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.

Die nichtlineare optische Antwort maßschneidern

Nachdem diese Systeme einzeln analysiert und beschrieben wurden, wird NOA in der zweiten Förderphase Systeme mit gemischter Dimensionalität untersuchen: Dazu gehören u. a. 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 Forschungen 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 u. a. 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 Prof. Dr. 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 Sonderforschungsbereiches 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 Technischen Universität München zusammen.