Die „Top 10 Breakthroughs of the Year” listet das angesehene Magazin “physics world” auf. Physics World ist das Mitgliedermagazin des Institute of Physics, einer der größten Physik-Organisationen der Welt. Bei der Wahl der „Breakthroughs of the Year, opens an external URL in a new window“ werden alle Bereiche der Physik berücksichtigt – von neuen Radiotherapie-Methoden gegen Krebs bis hin zum James-Webb-Weltraumteleskop. Die zehn Top-Plätze werden gleichberechtigt bekanntgegeben, eine innere Reihung der Top-10 gibt es nicht. Gleich zwei dieser zehn „Durchbrüche des Jahres“ wurden an der TU Wien erzielt – in den Forschungsgruppen von Prof. Stefan Rotter und Prof. Joachim Burgdörfer, beide am Institut für Theoretische Physik.

Wie man Licht perfekt gefangen hält – oder perfekt durchlässt

An verblüffenden Phänomenen rund um Lichtwellen forscht das Team von Prof. Stefan Rotter. Gleich zwei seiner Arbeiten aus dem Jahr 2022 sind es, die von Physics World gemeinsam als „Breakthrough of the Year“ gepriesen worden: Es geht dabei um die perfekte Absorption und die perfekte Transmission von Licht.

Wenn man im Nebel schlecht sieht oder wenn man sich über das schlechte WLAN-Signal aus dem Nebenzimmer ärgert, dann liegt das daran, dass elektromagnetische Wellen auf komplizierte Weise reflektiert oder abgelenkt werden. Gemeinsam mit der Gruppe von Matthieu Davy (Universität Rennes) entwickelte Stefan Rotter eine Methode, mit der man störende Wellenreflexionen vollständig eliminieren kann. Ähnlich wie eine Antireflex-Beschichtung auf einer Brille für besseren Durchblick sorgt, lässt sich für beliebige Strukturen die jeweils perfekte Anti-Reflexions-Schicht berechnen. Man fügt also einem Objekt, das die Wellenausbreitung behindert, eine zusätzliche Schicht hinzu – und die Kombination aus beidem lässt die Welle ungehindert passieren.

Mehr dazu: Wellen im Labyrinth ohne Wiederkehr, opens an external URL in a new window

In gewissem Sinn das Gegenteil davon gelang Stefan Rotter dann in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Ori Katz (Universität Jerusalem): In dieser Arbeit ging es nicht um die perfekte Ausbreitung von Licht, sondern um die perfekte Absorption. Mit einer speziellen Konstruktion aus Spiegeln und Linsen gelang es dem Team, eine „Lichtfalle“ zu entwickeln. Auf ausgeklügelte Weise werden die Welleneigenschaften des Lichts genutzt, um es am Entkommen zu hindern. Das Licht wird vollständig absorbiert – in einer extrem dünnen Materialschicht, die sonst einen großen Teil des Lichts durchlassen würde.

Mehr dazu: Eine perfekte Falle für das Licht, opens an external URL in a new window

Die Höchstgeschwindigkeit der Quanten

Wie schnell kann Elektronik werden? Wenn Computerchips mit immer kürzeren Signalen und immer kleineren Zeitabständen arbeiten, stößt man irgendwann auf physikalische Grenzen: Die quantenmechanischen Prozesse, die in einem Halbleitermaterial die Entstehung von elektrischem Strom ermöglichen, brauchen ihre Zeit. Schneller ist Signalentstehung und Signalübertragung einfach nicht möglich.

Diese Grenzen konnte ein Team von TU Wien, TU Graz und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching gemeinsam ausloten: Spätestens bei etwa einem Petahertz (eine Million Gigahertz) kann die Geschwindigkeit nicht weiter gesteigert werden, selbst wenn man das Material auf optimale Weise mit Laserpulsen anregt. Die Experimente dazu wurden in den Gruppen von Martin Schultze (Graz) und Ferenc Krausz (Garching) durchgeführt, die theoretische Arbeit sowie aufwändige Computersimulationen entstanden im Team von Prof. Joachim Burgdörfer an der TU Wien.

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