Herstellung und Charakterisierung dreidimensionaler deterministisch aperiodischer Strukturen - Optischer Transport und Lokalisierung in Strukturen zwischen Ordnung und Unordnung

• Antragsteller: Professor Dr. Georg von Freymann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249991710

Optische Materialien mit deterministisch aperiodischer Ordnung bilden eine Materialklasse, die mit ihren Eigenschaften zwischen kristallinen und ungeordneten Materialien einzuordnen ist. Prominente Vertreter sind z. B. die photonischen Quasikristalle. Während kristalline und ungeordnete optische Materialien in der Natur allgegenwärtig sind, gilt dies nach bestem Wissen nicht für deterministisch aperiodische Materialien, deren dielektrische Permittivi-tät gemäß mathematischer Folgen räumlich moduliert. Derartige Materialien können nahezu beliebig wählbare Korrelationen im zugrunde liegenden optischen Potential aufweisen und eignen sich damit ausgezeichnet für ein genaueres Verständnis der daraus resultierenden Transport- bzw. Lokalisie-rungsphänomene sowie nichtlinear optischer Effekte. Arbeiten an dreidimensionalen deterministisch aperiodischen Materialien existieren bisher nicht, da derartig maßgeschneiderte Materialien nicht verfügbar waren. Offene Fragen sind hier z. B. das Auf-treten photonischer Anderson-Lokalisierung, die Natur der Transportprozesse (ballistisch, diffusiv, super- oder sub-diffusiv) oder das Wellenmischverhalten im nichtlinear-optischen Regime.Ziel unseres Vorhabens ist es, diese Lücke zu schließen und ein grundlegendes Verständnis für die optischen Eigenschaften derartiger Materialien zu schaffen. Hierzu realisieren wir die Materialien mit-tels dreidimensionaler Laserlithographie, die es aufgrund aktueller Weiterentwicklungen ermöglicht, Materialvolumina mit Abmessungen entlang aller Raumrichtungen in kurzer Zeit zu realisieren, die ausgedehnten Materialien mit Kantenabmessungen vieler Wellenlängen entsprechen.Wir fokussieren uns dabei zuerst auf Materialien, deren Potentiale die drei Archetypen aller in der Natur vorkommenden Fourier-Spektren erzeugen: Die Fibonacci-Folge (reine Bragg-Beugung), die Thue-Morse-Folge (singulär kontinuierliche Fourier-Spektren) und die Rudin-Shapiro-Folge (absolut kontinuierliche Fourier-Spektren und damit analog zu perfekt ungeordneten Materialien). Die herzu-stellenden Proben werden dabei mittels Zeit- und ortsaufgelöster Spektroskopie, sowie mittels Laue-Beugung charakterisiert. Mehrfarb-Pump-Probe-Experimente werden zum Verständnis der nichtlinear optischen Eigenschaften eingesetzt. Die experimentellen Arbeiten werden durch theoretische Unter-suchungen begleitet, um die Modenstruktur und die spektralen Signaturen zu analysieren und mögli-che Zusammenhänge mit der zugrundeliegenden Potentialstruktur zu verstehen. Ein klares Verständnis deterministisch aperiodischer Strukturen wird Einfluss auf so unterschiedliche Felder wie das Random-lasing oder die kürzliche aufkommenden Abbildungen durch stark streuende Medien haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Kurt Busch