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Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

Foto: Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

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Neue optische Sicherheitstechnologien

Internationales Forschungsprojekt: Wissenschaftler*innen erforschen fälschungssichere Systeme für mehr Datensicherheit

Flächendeckende Vernetzung und umfassender Datenaustausch: Durch die starke Verschmelzung unseres Lebens mit IoT-Technologien (Internet of Things) ist die Welt heute vernetzter als je zuvor. Doch eine hypervernetzte Gesellschaft fordert die Daten- und Informationssicherheit zunehmend heraus. Um die Identität des Einzelnen zu schützen und das Sicherheitsniveau bei der Identifizierung zu verbessern, sind neue Konzepte der Kryptographie – der Verschlüsselung von Daten – gefragt. In einem gemeinsamen Projekt arbeiten Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn und der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Südkorea deshalb an der Entwicklung sogenannter multifunktionaler Meta-Oberflächen. Durch spezielle Eigenschaften sollen sie neue optische Sicherheitstechnologien ermöglichen. Der Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD) fördert das Projekt im Rahmen des Deutsch-Koreanischen Partnerschaftsprogramms „GEnKO“ (German - Korean Partnership Programme) für zwei Jahre.

Innovative Verschlüsselung für mehr Datensicherheit

Bei den Forschungsarbeiten zu neuen optischen Sicherheitselementen spielen Licht und speziell bearbeitete Oberflächen eine zentrale Rolle. „Durch die Entwicklung von Meta-Oberflächen konnte in den vergangenen Jahren Licht auf eindrucksvolle und komplexe Weise bei seiner Ausbreitung verändert werden. Das wollen wir für eine neue Art der Sicherheitstechnologie nutzen“, sagt Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Leiter der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ an der Universität Paderborn. Der Physiker erklärt: „Meta-Oberflächen sind künstlich hergestellte Materialien. Sie bestehen aus einer dünnen Lage von Nanostrukturen, also kleinsten Anordnungen, auf einer Oberfläche.“ Durch sie lassen sich z. B. auf einfache Weise Hologramme ermöglichen, die den Wellencharakter des Lichts ausnutzen, oder auch Strukturfarben, also Farben, die nicht durch Farbpigmente, sondern durch Beugung oder Streuung von Licht sowie die Beschaffenheit einer Oberfläche bedingt sind. „Meta-Oberflächen haben ein bemerkenswertes Potenzial für den Einsatz als optische Sicherheitselemente“, betont der Wissenschaftler. Aufgrund ihrer extrem hohen Auflösung (100.000 dpi), ihrer vielfältigen Datenspeichermöglichkeiten und ihrer sehr langen Lebensdauer seien sie für Verschlüsselungsanwendungen ideal geeignet, so Zentgraf weiter. „Beispiele für optische Sicherheitsmerkmale, die wir alle kennen, sind das Wasserzeichen, der Sicherheitsstreifen oder das Hologramm auf Geldscheinen“, erläutert er.

Um solche multifunktionalen Meta-Oberflächen zu entwickeln, arbeiten Forschende der Arbeitsgruppe von Prof. Zentgraf in Paderborn und der Arbeitsgruppe von Prof. Junsuk Rho in Pohang zusammen. Die neuen Meta-Oberflächen sollen nicht nur als strukturelle Farbdrucke unter weißem Licht, sondern auch als vollständige Hologramme unter kohärenter Beleuchtung, also Laserlicht, funktionieren. „Eine solche Kombination kann möglicherweise eine neue optische Sicherheitstechnologie ermöglichen, da zwei verschiedene Konzepte zur Erzeugung visueller Informationen kombiniert werden“, so Zentgraf. Der Wissenschaftler nennt ein Beispiel: „Die strukturellen Farben, die durch das Zusammenspiel von Licht und Meta-Oberflächen entstehen, sind mit bloßen Augen zu erkennen und könnten beispielsweise einen QR-Code sichtbar werden lassen, der einfach mit der Smartphone-Kamera ausgelesen werden kann. Zu dieser einfach zugänglichen Ebene von Informationen käme eine versteckte: Da Meta-Oberflächen auch Holgramme ermöglichen – die im Prinzip verschlüsselte Informationen sind – können diese als weiterer Sicherheitsschritt dienen. Um sie auszulesen, benötigt man das entsprechende Lichtfeld. Beispielsweise könnten die Hologramme also nur unter einer speziellen Beleuchtung, die nicht jedem zur Verfügung steht, einen Sicherheitscode erscheinen lassen, den man benötigt, um ihn auf einer Webseite einzugeben, zu der man über den zuvor genannten QR-Code gelangt.“

Die Forschungsarbeiten an den Universitäten in Deutschland und Südkorea könnten auf diesem Gebiet ideal kombiniert werden, so Zentgraf: „Durch unsere umfangreiche Erfahrung im Design neuartiger holographischer Meta-Oberflächen und durch die Erfahrung unserer koreanischen Partner in der Herstellung großflächiger Nanostrukturen für optische Meta-Oberflächen können wir die Kompetenzen beider Gruppen optimal verknüpfen.“

Internationale Forschung stärken

Durch die enge Zusammenarbeit auf diesem Forschungsgebiet soll der bereits bestehende Kontakt zwischen den beiden Gruppen gestärkt werden. Im Rahmen des Projekts ist außerdem ein Austauschprogramm für Doktorand*innen und Postdocs der Arbeitsgruppen geplant. Diese sollen zukünftig einen Teil ihrer Forschung in der jeweils anderen Einrichtung durchführen können und so die Möglichkeit bekommen, internationale Erfahrungen zu sammeln und ihr Wissen weiter auszubauen.

Mit dem Projekt streben die Beteiligten darüber hinaus eine langfristige Forschungskooperation der beiden Institutionen auf dem Gebiet der Materialwissenschaften an, die u. a. einen künftigen Austausch von Studierenden und Doktorand*innen für Forschung und akademische Studien ermöglichen soll. Hierfür ist die Universität Paderborn mit ihren beiden internationalen Masterstudiengängen Materials Science (Materialwissenschaft) sowie Optoelectronics and Photonics (Optoelektronik und Photonik) bereits gut aufgestellt.

Jennifer Strube, Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing

Kontakt

Thomas Zentgraf

Prof. Dr. Thomas Zentgraf

Ultraschnelle Nanophotonik

Zur Person

Die Universität der Informationsgesellschaft