Drei Arbeitsgruppen des Instituts für Photonische Quantensysteme und dem Department Physik der Universität Paderborn, Theorie funktionaler photonischer Strukturen (Prof. Dr. Stefan Schumacher), Ultraschnelle Nanophotonik (Prof. Dr. Thomas Zentgraf) und Theoretische Quantensysteme (Prof. Dr. Jan Sperling), haben in jüngsten Arbeiten Fortschritte auf dem Gebiet der modernen Photonik erzielt. In zwei Veröffentlichungen untersuchten die Forschenden, wie sich Licht durch gezielte Strukturierung und Kopplung auf der Nanoskala präzise manipulieren lässt, und bewegen sich dabei im Spannungsfeld zwischen klassischer Optik und topologischer Physik.
In der ersten Publikation arbeiteten die Forschenden aus den Arbeitsgruppen von Thomas Zentgraf und Stefan Schumacher, die Promovierenden Helene Wetter und Jan Wingenbach, gemeinsam an einer sinusoidal modulierten Silizium-Metasurface, in der Nahfeldkopplungen gezielt genutzt werden, um ungewöhnliche Polarisationszustände hervorzurufen. Dabei konnten sie zeigen, dass sich entlang bestimmter Einfallswinkel des Lichts linear und zirkular polarisierte Lichtzustände bilden, die von einem gemeinsamen Dirac-Punkt ausgehen. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten zur Realisierung winkelabhängiger Polarisationsfilter und liefern zugleich Einblicke in die Präzision und Grenzen der Nanofabrikation solcher Strukturen. Das Paper findet ihr unter folgendem Link.
In der zweiten Publikation der Arbeitsgruppen von Stefan Schumacher und Jan Sperling untersuchten die Paderborner Forschenden Jan Wingenbach und Laura Ares gemeinsam mit Forschenden der University of Arizona nicht-Hermitesche optische Resonatoren. Hier konnten sogenannte exzeptionelle Ringe (ERs) nachgewiesen werden. Diese ringförmigen Singularitäten zeichnen sich durch Modenverschmelzung und besondere topologische Eigenschaften aus. Die Forschenden zeigten, dass diese Ringe durch zirkularen Dichroismus und TE–TM-Splitting in planaren optischen Resonatoren entstehen. Insbesondere unerforscht war auch das Verhalten dieser Singularitäten in nichtlinearen Systemen. Die Forschenden zeigten, dass unter Zugabe einer Kerr-Nichtlinearität ein einzelner Ring in eine geschlossene Oberfläche aus Ringen aufspaltet. Diese topologischen Lichtzustände zeigen eine hohe Empfindlichkeit und gelten als vielversprechend für künftige optische Sensorik und Signalverarbeitung. Das Paper findet ihr unter folgendem Link.
Beide Ansätze zeigen, dass kontrollierte Kopplung und strukturelle Symmetriebrechung zu außergewöhnlichen Eigenzuständen und sehr empfindlichem optischen Verhalten führen können.
