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18.12.2025 07:07
Licht für optische Zukunftstechnologien: Erfolgreicher Abschluss des Sonderforschungsbereichs TRR 142
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/
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Department Physik der Universität Paderborn, Fon: +49 5251 60-7100, E-Mail: thomas.zentgraf@uni-paderborn.de
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler, jedermann
Gesellschaft, Informationstechnik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsergebnisse
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