Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte internationale Graduiertenkolleg Meta-Active (GRK 2675) widmet sich der Erforschung aktiver Metasurfaces zur Erzeugung, Manipulation und Detektion von Licht. Im Fokus stehen nanoskalige, resonante Strukturelemente, deren kollektive Anordnung neue Freiheitsgrade für die Licht-Materie-Wechselwirkung eröffnet. Anders als bisher überwiegend passive Metasurfaces sollen diese Systeme dynamisch steuerbar sein und als Grundlage für neuartige Lichtquellen, programmierbare optische Funktionen und verbesserte Detektoren dienen – auch im quantenoptischen Kontext.

Die strukturierte Ausbildung von Promovierenden steht im Zentrum des Graduiertenkollegs. Ein abgestimmtes Qualifizierungskonzept umfasst gemeinsame Lehrangebote, binational organisierte Forschungsaktivitäten sowie einen verpflichtenden Forschungsaufenthalt an der jeweiligen Partnerinstitution. Die Promotionen werden kooperativ betreut und münden in einen gemeinsamen Dual-PhD-Abschluss beider Universitäten. Auf diese Weise werden einheitliche Ausbildungsstandards gewährleistet und internationale Forschungserfahrung systematisch vermittelt.

Das Teilprojekt C1, an dem das Leibniz-IPHT beteiligt ist, zielt auf die Entwicklung multifunktionaler Metasurfaces zur sensitiven chiroptischen Detektion chiraler Moleküle. Ziel ist es, einfallende Fernfeldbeleuchtung gezielt in maßgeschneiderte optische Nahfelder zu überführen, um die chiroptische Antwort chiraler Materie zu verstärken und die Nachweisempfindlichkeit optischer Chiralitätssensorik deutlich zu erhöhen. Hierzu werden sowohl plasmonische als auch dielektrische Metasurfaces mit chiraler und achiraler Geometrie entworfen, die eine breitbandige und abstimmbare Verstärkung ermöglichen.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der gezielten Gestaltung der Nahfeldoptik. Durch optimierte Strukturen soll sowohl die optische Chiralität im Nahfeld für die zirkulardichroitische Detektion als auch die Feldintensität für optisches Trapping maximiert werden. Auf diese Weise können chirale Zielmoleküle aktiv in feldverstärkte Zonen eingebracht und dort analysiert werden. Ergänzend wird ein Festkörper-Extraktionsansatz verfolgt, bei dem oberflächenfunktionalisierte Mikro- oder Nanopartikel als Träger dienen, um chirale Moleküle vorzuseparieren, anzureichern und gezielt an die Hotspots der Metasurfaces zu transportieren.

Die Arbeiten umfassen theoretische Modellierung und numerische Simulation zur Optimierung der Strukturgeometrien sowie die experimentelle Realisierung der Metasurfaces mittels etablierter Top-down- und Bottom-up-Nanofabrikationsverfahren. Zum Einsatz kommen unter anderem dreidimensionale Metastrukturen, bilagige Substrate und spannungsinduzierte Formgebung. Die chiroptische Charakterisierung erfolgt über ein breites spektrales Fenster vom mittleren Infrarot bis in den THz-Bereich, unter anderem zur Untersuchung der vibrationalen Zirkulardichroismus-Signale ausgewählter Modellmoleküle wie α-Pinen und Limonen. Perspektivisch ist zudem eine aktive Kontrolle der Metasurface-Morphologie vorgesehen, etwa durch thermische Effekte oder mechanische Dehnung, um die optischen Eigenschaften dynamisch anzupassen.

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer 437527638 gefördert.