Verschlüsselte Kommunikation durch die Manipulation von Licht: Neuste Erkenntnisse auf dem Gebiet der Photonikforschung sollen das bald möglich machen. Um optische Eigenschaften – also die Ausbreitung und Übertragung des Lichts – gezielt zu verändern, sollen künftig sogenannte Meta-Oberflächen 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 Physikerinnen und 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.
Licht als Informationsträger
„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 Prof. Dr. Thomas Zentgraf vom Department Physik.
Sogenannte Metamaterialen, deren Oberflächen z. B. aus nanoskopischen Strukturen bestehen, ermöglichen diese Manipulation bereits in sehr dünnen Schichten. „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 Zentgraf.
Nanostrukturierung zur Beeinflussung nichtlinearer Eigenschaften
Durch den Einsatz von moderner Nanotechnologie können Materialien fast bis 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. Dazu Zentgraf: „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.“
Zur Erhöhung der Funktionalität optischer Meta-Oberflächen untersuchen die Wissenschaftler jetzt das Problem der gleichzeitigen Modifikation von mehreren Strahlenparametern. Damit gemeint sind z. B. Änderungen der Polarisation (Schwingungsrichtung), Phase (Schwingungszustand) oder Amplitude (Schwingungsweite) 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 u. a. um neue fundamentale Designmethoden, wie z. B. Deep Learning mittels neuronaler Netze für ein schnelleres Design, Multifunktionalität sowie die aktive Kontrolle von linearen und nichtlinear-optischen Effekten.
