Wellenkontrolle in Systemen mit Absorption und Unordnung

Weiterentwicklungen in der Photonik gingen traditionell mit technologischen Fortschritten bei der Herstellung von immer komplexeren optischen Geräten einher. In diesem facettenreichen Bemühen, beliebige dielektrische Strukturen zu erzeugen, sind zwei Komponenten, nämlich die Absorption und die Unordnung, weitgehend unbeachtet geblieben. Dies liegt an der vorherrschenden Meinung, dass die bloße Absorption von Wellen generell nur zu Verlusten führt und ein ungeordnetes Material nur anscheinend zufällige Streuung induziert. Beides wird im Allgemeinen als nachteilig für Anwendungen empfunden. Neuere theoretische Einsichten und die sich abzeichnenden experimentellen Möglichkeiten, um sehr komplizierte Lichtfelder zu formen und zu detektieren, bringen diese traditionelle Denkweise aktuell jedoch ins Wanken. Das Ziel dieses Projekts wird es sein, diesen Paradigmenwechsel zu fördern, indem neue Anwendungen erforscht werden, die auf dem Zusammenspiel von komplexer Streuung und Absorption beruhen. Auf der Grundlage vorläufiger Ergebnisse wollen wir den ersten "Random Anti- Laser" aufbauen - eine ungeordnete und dissipative Struktur, die die gesamte einfallende Wellenenergie perfekt absorbiert. Parallel dazu werden wir eine neuartige Möglichkeit entwickeln, um Wellen auf ein in einem ungeordneten Medium eingebettetes Objekt zu fokussieren und dieses Objekt zu manipulieren. Unser Ansatz beruht auf der Möglichkeit ein komplexes Medium vollständig durch die sogenannte Streumatrix zu charakterisieren. Diese relevanten Datensätze können wir aus Mikrowellenexperimenten erstmals extrahierenden, die wir gemeinsam mit Kollegen in Nizza durchführen wollen. Nach Ausmessung der kompletten Streumatrix, können wir die einlaufenden Wellenfelder berechnen, die perfekt vom Medium absorbiert werden oder die innerhalb des Mediums fokussiert werden und dort somit hohe Felder erzeugen. Diese speziellen Streuzustände wollen wir dann im Experiment umsetzen und die Stabilität der Vorhersagen testen. Wie in unserem Antrag dargelegt, wird die Verfügbarkeit der kompletten Streumatrix in einem dissipativen und ungeordneten Medium uns erlauben, auch eine ganze Reihe weiterer Forschungsfragen zu bearbeiten sowohl aus theoretischer als auch aus experimenteller Sicht. Die beiden an diesem Projektvorschlag beteiligten Partner die Theoriegruppe von Stefan ROTTER in Wien und die Experimentalgruppe Wellen in komplexen Medien" (Ulrich KUHL, Fabrice MORTESSAGNE und Olivier LEGRAND) in Nizza blicken bereits auf eine mehrjährige erfolgreiche Zusammenarbeit zurück auf deren Basis wir dieses Projekt gemeinsam umsetzen wollen.

Projektzusammenfassung: WAVELAND (2019-2023) Das am 1. September 2019 gestartete Projekt WAVELAND hat wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der Wellenfronttechnik in Systemen mit Verlusten und Unordnung erzielt. Im Kern konzentriert sich das Projekt auf die Steuerung von Wellen in komplexen Umgebungen, was erhebliche Auswirkungen auf optische, Mikrowellen- und Ultraschalltechnologien hat. Wichtige Ergebnisse von WAVELAND wurden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Allard Mosk an der Universität Utrecht umgesetzt. Diese Partnerschaft führte zu bedeutenden Veröffentlichungen, darunter eine Studie über die Formung von Laserstrahlen zur Maximierung der Informationsgewinnung über bestimmte Systemparameter, die in Nature Physics veröffentlicht wurde. Eine weitere wichtige Arbeit befasste sich mit der Einführung streuungsinvarianter Moden, die sowohl in streuenden Medien als auch im freien Raum dieselben Wellenmuster erzeugen und damit ein Potenzial für die Untersuchung stark streuender Materialien bieten. Diese Studie wurde in Nature Photonics veröffentlicht. Im Rahmen des Projekts wurden auch nicht-hermitsche Medien zur Steuerung der Lichtausbreitung untersucht. Diese Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass das Hinzufügen von Verstärkung und Verlust zu ungeordneten Medien die Streuung unterdrücken kann. Die Ergebnisse wurden in Optica und Physical Review A veröffentlicht. Im Rahmen von WAVELAND haben wir neue Techniken zur Wellenfrontformung entwickelt, um das optische Einfangen und Manipulieren zu verbessern, und wir haben den periodischen Austausch von Anregungen zwischen zwei Quantenstrahlern theoretisch nachgewiesen. Diese Leistungen unterstreichen die Beiträge des Projekts zur Grundlagenphysik. Zwei Veröffentlichungen des Projekts wurden von Physics World unter die Top 10 der physikalischen Durchbrüche des Jahres 2022 gewählt. Die Forschungsarbeiten des Projekts wurden in zahlreichen hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht, darunter Nature, Science und Physical Review Letters. Darüber hinaus erhielt das Projekt große Aufmerksamkeit in den Medien (z. B. in Physics Today, New Scientist, Scientific American usw.). Das WAVELAND-Team förderte auch die internationale Zusammenarbeit, vor allem mit Ulf Leonhardt vom Weizmann Institute of Science. Seine Besuche in Wien führten zu gemeinsamen Veröffentlichungen über Quantenvakuumkräfte und Wellenfrontformung mit Quantenlicht. Diese Kooperationen bereicherten die Forschung des Projekts und erweiterten seinen Umfang. Das Projekt hat nicht nur wissenschaftliche Erkenntnisse gefördert, sondern auch die berufliche Entwicklung von Forschern unterstützt. So wechselte beispielsweise der Doktorand Matthias Kühmayer in die Halbleiterindustrie und Lukas Rachbauer wurde Datenwissenschaftler in der Pharmabranche. Der Postdoktorand Ivor Kresic erhielt eine feste Forschungsstelle am Institut für Physik in Zagreb (Kroatien). Diese Erfolge zeigen den Beitrag des Projekts zur Entwicklung von Arbeitskräften. Außerdem wurde gemeinsam mit Mitarbeitern in Frankreich ein Patentantrag für eine neue Matrix-Bildgebungsmethode eingereicht (einschließlich einer Verwertungsvereinbarung mit einem internationalen Medizinunternehmen). Insgesamt hat das WAVELAND-Projekt wesentliche Beiträge zur Wellenfronttechnik geleistet, die zu zahlreichen Veröffentlichungen und bedeutenden wissenschaftlichen Durchbrüchen geführt haben. Der Erfolg des Projekts ist gekennzeichnet durch starke Kooperationen mit internationalen Partnergruppen, eine breite Berichterstattung in den Medien und praktische Anwendungen in der Medizintechnik.