Ausnutzung maßgeschneiderter Unordnung in dielektrischen Nanooberflächen zur Maximierung von deren Informationskapazität

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thomas Pertsch; Professor Dr. Carsten Rockstuhl; Professorin Dr. Isabelle Staude
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278747906

Dielektrische Nanooberflächen prägen einfallenden Lichtfeldern Informationen auf, indem sie deren Phase / Amplitude deterministisch räumlich verändern. Die höchste Effizienz wird erreicht, wenn Oberflächen starker Streuer aus Materialien hoher Permittivität hergestellt werden. Wenn die Streuer an ihrem Dualitätspunkt betrieben werden, wird eine perfekte Transmission erreicht. Dies eröffnet spannende Anwendungen in Beleuchtung, Bildgebung, ultradünnen Anzeigetechnologien, Wellenfrontmanipulation und Strahlformung.Jedoch geht die Fähigkeit starker Lichtkontrolle auf Kosten einer langreichweitigen Wechselwirkung und verbietet damit die Realisierung einer hohen Informationsdichte bei periodischer Anordnung der Streuer. In der ersten Förderperiode haben wir deshalb untersucht, wie Unordnung in der Anordnung der Streuer diese weitreichende Wechselwirkung unterdrücken kann. In gemeinsamen Arbeiten haben wir die grundlegenden Eigenschaften von ungeordneten Nanooberflächen verstanden und unerwartete Phänomene entdeckt, z.B. einen durch Unordnung induzierten Phasenübergang in der Antwort der Nanooberflächen. Insgesamt liefert unsere Arbeit die Grundlage für eine Fülle von Untersuchungen in der zweiten Förderperiode mit dem zentralen Ziel, die in unseren Nanooberflächen kodierbare Informationskapazität zu maximieren. Dies betrifft sowohl die Zahl von unabhängigen Kanälen, die innerhalb des gleichen Bereichs der Nanooberfläche kodierbar sind, als auch die Informationsdichte, die in jedem Kanal kodiert werden kann.Im ersten Forschungsstrang konzentrieren wir uns auf wellenfrontformende Nanooberflächen, bei denen die Informationsdichte durch explizite Ausnutzung von Unordnung erhöht wird. Die Unordnung ist räumlich maßgeschneidert, um die Amplitude / Phase des übertragenen Lichts lokal einzustellen. Diese vollständige Kontrolle innerhalb einer einzigen Materialschicht wird exakte und nicht nur annähernde Hologramme implementieren. Wir beabsichtigen auch, die Spektral- bzw. Winkeldispersion zu nutzen, um Hologramme bei verschiedenen Wellenlängen bzw. Beleuchtungsfeldern zu implementieren.In einem zweiten Forschungsstrang werden diese Fähigkeiten genutzt, um die diffusive Streuung in ausgewählten Demonstratoren maßzuschneidern. Wir untersuchen Elemente, die das einfallende Licht kontinuierlich ablenken und untersuchen, in welchem Ausmaß eine Nanooberfläche die Funktionalität eines gewöhnlichen 3D Streumediums nachahmen kann. Dabei wird die Frage beantwortet, in einen wie kleinen Raum die Information eines Volumenmediums codiert werden kann.In einem dritten Forschungsstrang stellen wir die Frage, inwieweit wir von der Natur die Konstruktionsprinzipien von im Tierreich auftretenden optisch funktionellen Nanooberflächen verstehen und anwenden können. Neben vielfältigen weiteren Kollaborationen erwarten wir vor allem in diesem Forschungsbereich, dass wir mit anderen Partnern des SPPs zusammenarbeiten und zu dessen übergreifenden Zielen beitragen werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1839: Tailored Disorder - A science- and engineering-based approach to materials design for advanced photonic applications