Licht im Wandel: Wie wir es kontrollieren und mit ihm interagieren
Licht, wie wir es kennen, ist statisch, starr und typischerweise in seiner Funktion festgelegt. Aber was wäre, wenn das nicht so sein müsste? Das ist die Frage, die im Rahmen des EU-finanzierten Projekts METAmorphoses(öffnet in neuem Fenster) aufgeworfen wird. Die geniale Idee: dynamische, ultradünne und flache optische Bauelemente zu entwickeln, die sich in Echtzeit anpassen, reagieren und neu konfigurieren können. „Diese Idee verkörpert einen bedeutenden konzeptionellen Wandel, der die seit langem bestehenden Beschränkungen bei der Steuerung von Licht aufhebt und den Zugang zu bisher unzugänglichen Funktionalitäten eröffnet“, sagt Antonio Ambrosio(öffnet in neuem Fenster), leitender Wissenschaftler und Hauptforscher am Italienischen Institut für Technologie(öffnet in neuem Fenster), an dem das Projekt angesiedelt ist.
Neue Metaoberflächen gestalten
Um diese Idee in die Tat umzusetzen, wurden im Rahmen des Projekts Metaoberflächen aus photoempfindlichen Materialien wie Azopolymeren konzipiert und hergestellt, deren Form und Struktur durch Licht aktiv umgeschrieben werden kann. „Durch strukturierte Beleuchtung konnten wir komplexe optische Funktionen auf diesen Oberflächen kodieren, sie löschen und neu programmieren, und all das ohne jeglichen physischen Kontakt“, erklärt Ambrosio. Die Forschenden haben außerdem erstmalig die Möglichkeit nachgewiesen, Molybdän-Oxychlorid (MoOCl₂) in Form eines 2D-Materials abzuschälen. Zudem untersuchten sie seine beispiellose optische Anisotropie, die sein Potenzial für den extremen Lichteinschluss und optimierte Sensoranwendungen ins Licht rückt.
Eine neue Klasse optischer Strahlen
Das Team des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) (ERC) finanzierten Projekts erkundete, wie ihre innovativen Metaoberflächen nicht nur die räumliche Struktur des Lichts, sondern auch seine Eigenschaften in der Zeit auf dynamische Weise modulieren können. Diese Forschungslinie führte zur Schaffung neuer Klassen optischer Strahlen. „Diese Klasse sogenannter Strahlen mit Selbstverdrillung, Self-Torque, wurde noch nie zuvor demonstriert und bietet einen völlig neuen Freiheitsgrad bei der zeitlichen Strukturierung von Licht, eine Freiheit, die wichtige Auswirkungen auf die ultraschnelle Optik, die Kommunikation und die Quantenmanipulation haben könnte“, fügt Ambrosio hinzu. Ambrosio zufolge hat die im Rahmen von METAmorphoses realisierte Kombination aus Materialinnovation, nanophotonischem Design und ultraschneller Optik dazu geführt, dass projektintern die ursprünglichen Erwartungen übertroffen wurden. „Die Idee des Lichts mit Self-Torque zum Beispiel war nicht Teil des ursprünglichen Vorschlags“, sagt er. „Sie entstand aus den grundlegenden Fragen, die wir uns darüber stellten, wie Licht dynamisch strukturiert werden kann, und wurde letztlich zu einem der wichtigsten Erkenntnisse des Projekts.“
Die Grenzen der Photonik sprengen
Die Arbeit des Projekts METAmorphoses hat die Grenzen des derzeit im Bereich der Photonik Möglichen erweitert. Aus wissenschaftlicher Sicht wurden neue Erkenntnisse und Werkzeuge geliefert, die es anderen ermöglichen werden, Systeme zu entwerfen, die leichter, kompakter und funktionell reichhaltiger als je zuvor sind. Auf gesellschaftlicher Ebene könnten die projekteigenen intelligenten Metaoberflächen zur Verbesserung der medizinischen Bildgebung, der optischen Kommunikation, für intelligente Sensoren und zur Revolutionierung von Technologien der erweiterten Realität eingesetzt werden. Diese Innovationen unterstützen außerdem durch reduzierte Größe, weniger Gewicht und geringeren Energieverbrauch bei optischen Systemen EU-Prioritäten wie Nachhaltigkeit und technologische Effizienz. „METAmorphoses wird aufgrund der Erweiterung des Photonik-Werkzeugkastens und den Nachweis, dass Metaoberflächen zu adaptiven, dynamischen und multifunktionalen Schnittstellen für Licht werden können, einen nachhaltigen Einfluss darauf ausüben, wie wir kompakte, effiziente und reaktionsschnelle optische Systeme entwerfen“, schließt Ambrosio. Im Rahmen von zwei ERC-Finanzhilfen des Bereichs Proof of Concept (PoC)(öffnet in neuem Fenster) arbeitet das Projektteam nun daran, seine Ideen und Bauelemente in reale Anwendungen zu integrieren, einschließlich Bildgebung, Sensorik und On-Chip-Kommunikation. Eine PoC-Finanzhilfe hat bereits zu einem funktionsfähigen Prototyp geführt, der gegenwärtig zum Patent angemeldet wird.
