Lehrstuhl für Nonlinearity Engineering

„Wenn ich mir anschaue, wie Struktur und Funktionalität in der Natur entstehen, ist die Rolle von emergenten Phänomenen inspirierend. Trotz der Düsternis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist Ordnung allgegenwärtig, von der Musterbildung in einem unbelebten Sandhaufen über primitive Lebensformen bis hin zur Komplexität des Primatengehirns und menschlicher Sozialkonstrukte. Der Grad ihrer Komplexität bildet ein Kontinuum von statischen Mustern bis hin zu dynamischer, adaptiver Komplexität. Selbst die einfachsten Formen der Nichtlinearität können, verstärkt durch Iteration, eine überraschende Schönheit offenbaren. Der Reichtum nimmt qualitativ zu, wenn die Dynamik räumlich ausgedehnt wird und wenn zufällige Fluktuationen einbezogen werden, was uns in unerforschte Gebiete mit vielen offenen Fragen führt. Mein langfristiges wissenschaftliches Ziel ist es, emergente Phänomene zu verstehen. Ich werde von der Neugier und dem Abenteuergeist angetrieben, den die nichtlineare Emergenz in mir weckt. Es gibt jedoch auch einen praktischen Aspekt dieses Strebens. Es gab schon immer Herausforderungen, die sich den Standardlösungen der Ingenieure widersetzen, manchmal jahrzehntelang. Die Ursache für diese Herausforderungen stellt sich immer als nichtlinear heraus. Wenn dies der Fall ist, erfordert die Lösung ein nichtlineares Systemdenken. Wir bemühen uns, diese Herausforderungen zu lösen, indem wir nichtlineare Effekte ausnutzen, um Ergebnisse zu erzielen, die früher als unpraktisch oder unmöglich galten - dies bezeichne ich umgangssprachlich als Nonlinearity Engineering.

Obwohl Nonlinearity Engineering kein bestimmtes Gebiet oder eine bestimmte experimentelle Plattform bevorzugt, konzentrieren wir uns auf die Laserphysik und komplexe Laser-Materie-Wechselwirkungen. Neben historischen Gründen und einer Portion Serendipität sprechen drei Gründe für diese Wahl: (i) Nichtlinearitäten lassen sich bei Laser-Materie-Wechselwirkungen leicht herbeiführen; (ii) Laserlicht kann die schärfsten und präzisesten thermischen Gradienten induzieren, die die Selbstorganisation vorantreiben; (iii) Laserlicht kann auf einzigartige Weise klassisch, quantenmechanisch und sogar feldtheoretisch beschrieben werden, was die Konstruktion formaler Analogien zu anderen Zweigen der Physik erleichtert. Wie wir an anderer Stelle geschrieben haben (Nature Photonics, 2013), „bieten Analogien wertvolle Einsichten, weil sie helfen können, die wenigen kritischen Gemeinsamkeiten zu identifizieren, die für einen Prozess wesentlich sind; die zahlreichen Unterschiede, die zwischen den Systemen bestehen, sind eigentlich überflüssig.“ Analogien sind ein dringend benötigter Kompass, wenn man sich auf unbekanntem Terrain bewegt. Unsere Forschung ist gleichermaßen theoretisch und experimentell, mit vielen Iterationen und gegenseitigen Rückmeldungen. Wir glauben an die Kraft vereinfachter Modelle, die die wesentlichen Aspekte der nichtlinearen Dynamik erfassen. Diese Modelle, die auch als „Spielzeugtheorien“ bezeichnet werden, lassen alle unkritischen Details weg und machen sie zu verständlichen, aber inhärent nichtlinearen Darstellungen des jeweiligen Phänomens. Wir validieren diese Modelle experimentell und liefern den Beweis für ihre praktische Anwendung. Experimentell erforschen wir nicht nur Laser-Materie-Wechselwirkungen, sondern entwickeln auch neuartige Laser, die wir wiederum für diese Wechselwirkungen einsetzen.

Unsere Ziele gehen über die Erweiterung wissenschaftlicher Kenntnisse hinaus. Wir wollen einen positiven Einfluss auf die Gesellschaft ausüben, indem wir den technologischen Fortschritt vorantreiben, sei es die Entwicklung neuer Laser oder die Laserchirurgie. Man kann mit Fug und Recht behaupten, dass unsere Forschung sowohl ein Streben nach grundlegendem Verständnis als auch nach technologischer Innovation umfasst, ob es nun um neue Regime der Lasermodellierung, statistische Physik der Selbstorganisation, chirurgische Anwendungen oder Holografie geht. Wenn Sie sich für eine der oben genannten Aufgaben interessieren, zögern Sie bitte nicht, mich direkt zu kontaktieren.“

Ömer Ilday



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