Wenn Licht auf Materie trifft, h?ngen die Wechselwirkungen vor allem vom Material und von der Intensit?t der Lichtquelle ab – eine Taschenlampe beleuchtet einen Stein lediglich, w?hrend ein Hochleistungslaser ein Loch in den Stein brennen kann. Solche Zusammenh?nge sind bekannt und bestens beschrieben. Wenn aber Licht auf Nanostruktu?ren oder atomar dünne Schichten trifft oder die Lichtintensit?t extrem hoch ist, dann ist eine pr?zise wissenschaftli?che Beschreibung der Wechselwirkung für viele Systeme noch m?g?lich. Mit der Entwicklung solcher Theorien und ihrer praktischen Umsetzungen hat sich seit 2019 der Sonderfor?schungs??be?reich (SFB) 1375 ?NOA – Nichtlineare Optik auf Atomaren Skalen“ ?enan der Uni?ver?sit?t Jena besch?ftigt. Mit Erfolg, wie die weitere F?rderung des Gro??forschungs?projekts durch die Deutsche Forschungsgemein?schaft (DFG) belegt. Die Forschungs?f?rder?organi?sation hat jetzt rd. elf Millionen Euro bewilligt, mit denen die For?schung zu Licht-Materie-Wechselwirkungen in Jena und bei den Partnern ab 1. Juli für weitere vier Jahre unterstützt wird.

Ph?nomene der nichtlinearen Optik treten auf, wenn Laserlicht mit extrem hoher Intensit?t auf Materie trifft. Neben dem ursprünglichen Laser?strahl entsteht durch die Wechselwirkung mit den Ladungstr?gern des Materials auch Strahlung kürzerer Wellenl?n?gen – ein Effekt, der sich mit steigender Intensit?t potenziert und daher als nichtlinear bezeichnet wird.

Interdisziplin?r den Wechselwirkungen bis auf atomare Ebene auf der Spur

Im Sonderforschungsbereich wird das interdisziplin?re Team um Prof. Dr. Stefanie Gr?fe und Prof. Dr. Ulf Peschel grundlegende nichtlineare optische Prozesse der Licht-Materie-Wechsel?wirkung bis zur atomaren Ebene erforschen. Dazu wurden in der ersten F?rder?phase erfolg?reich theoretische Methoden, Verfahren und numerische Schema?ta entwickelt und angewen?det sowie künstliche, mit atomarer Pr?zision geformte Materie wie atomar dünne und quasi-zweidimensionale Schichten, auch bekannt als 2D-Materia?lien, eindimensionale Nanodr?hte und -partikel oder Quantenpunkte und deren nichtlineare Wechselwirkung mit Licht experi?mentell untersucht.

Die nichtlineare optische Antwort ma?schneidern

Nachdem diese Systeme einzeln analysiert und beschrieben wurden, wird NOA in der zweiten F?rderphase Systeme mit gemischter Dimensionalit?t untersuchen: Dazu geh?ren u. a. che?misch oder elektronisch modifizierte Nanodr?hte oder -folien, Einzelphotonenemitter in 2D-Materialien oder atomar dünn geschichtete Materialien. Das Ziel dabei ist es, die jeweilige nichtlineare optische Antwort ma?zuschneidern. Neu im SFB sind Forschungen auf dem Gebiet der Quantenoptik. Darüber hinaus wird die Vermittlung der neuen Erkenntnisse an die breite ?ffentlichkeit ein weiteres Ziel in der kommenden F?rderphase 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 zusam?menarbeiten.

Mit diesem kombinierten Ansatz wird NOA in der Lage sein, neue Paradigmen für die nicht?lineare Optik bis zu atomaren Ma?st?ben zu etablieren, und dies nicht nur im Hin?blick auf Grundlagen, sondern auch auf Anwendungen

ist die künftige NOA-Spre?cherin Prof. Dr. Stefanie Gr?fe überzeugt.

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Gelingt das, winken attraktive Anwendungen, angefangen von winzigen Nanolasern über extrem kompakte R?ntgenquellen bis hin zur optischen Detektion weniger Atome. Am Ende lie?en sich vielleicht sogar chemische Reaktionen zwischen einzelnen Molekülen in Echtzeit beobachten – eine Dimension, in die lineare optische Systeme nicht vordringen k?nnen.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches arbeitet die Friedrich-Schiller-Universit?t Jena mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik sowie dem Leibniz-In?stitut für Photonische Technologien in Jena, aber auch mit der Humboldt-Universit?t Berlin und der Technischen Universit?t München zusammen.