Die Geheimnisse des Lichts im Nanobereich

Wie verhalten sich Lichtteilchen, wenn sie auf nur wenige Milliardstel Meter begrenzt sind? Und wie können diese Phänomene Entdeckungen in den Bereichen Bildgebung, Kommunikation und Quantentechnologie vorantreiben? Charles Roques-Carmes, der im Juni als Assistenzprofessor an das Institute of Science and Technology Austria (ISTA) gekommen ist, wird diese Fragen gemeinsam mit seiner Forschungsgruppe untersuchen. Indem er Physik und Ingenieurwesen miteinander verbindet, möchte Roques-Carmes grundlegende Erkenntnisse über Licht in Werkzeuge umsetzen, die Technologie voranbringen und der Gesellschaft zugutekommen.

Licht umgibt uns und prägt unser Leben auf Arten, die wir oft gar nicht wahrnehmen. Doch wie gut verstehen wir diese lebenswichtige Form von Strahlung?

Die Gruppe Roques-Carmes am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) erforscht, wie sich Licht auf extrem kleinen Skalen verhält und wie sich diese Effekte nutzen lassen, um neue wissenschaftliche und technologische Werkzeuge zu entwickeln. Dieses Forschungsgebiet wird Nanophotonik oder Nanooptik genannt – die Untersuchung des Verhaltens von Licht im Nanometerbereich und seiner Wechselwirkung mit Materialien, die im Bereich von Milliardsteln Metern liegen.

Wenn Lichtteilchen, also Photonen, auf die Nanoskala begrenzt werden – wo quantenoptische Wechselwirkungen dominieren –, entstehen neue Lichtphänomene. Indem sie diese verborgenen Bereiche des Lichtverhaltens erforschen, wollen Charles Roques-Carmes und seine Gruppe ein präziseres Verständnis und eine bessere Kontrolle des Lichts erlangen – sowie Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie nutzen, die erst auf der Nanoskala auftreten. Letztendlich soll dieses Wissen es den Wissenschafter:innen ermöglichen, Bereiche wie die moderne Mikroskopie, Sensorik, Kommunikation, Quantentechnologien und die medizinische Bildgebung weiterzuentwickeln.

Den Weg von der Theorie zur Anwendung beschleunigen

Gemeinsam mit seinem Team möchte Roques-Carmes grundlegende Erkenntnisse über Licht in praktische Werkzeuge umsetzen, die es uns ermöglichen, Informationen auf neue Weise zu beobachten, zu messen und zu verarbeiten. Konkret arbeitet er zum Beispiel an der Entwicklung einer Materialklasse, die als nanophotonische Szintillatoren bezeichnet wird. Diese künstlich hergestellten Materialien sind im Nanobereich so strukturiert, dass sie Röntgenstrahlen effizienter in sichtbares Licht umwandeln – mit dem Ziel, so medizinische Bildgebung, Mikroskopie und Strahlungsdetektion zu verbessern. „Allgemeiner gesehen hoffe ich, dass unsere Arbeit den Weg von der Theorie zur praktischen Technologie beschleunigt“, sagt er.

Seine Gruppe befasst sich mit Fragen an der Schnittstelle von Physik und Ingenieurwesen, darunter die Steuerung von Licht im Nanobereich, Mikroskopie, Bildgebung und Quantentechnologien. „In den nächsten fünf Jahren hoffe ich, dass wir ein oder zwei dieser Fragen lösen können oder zumindest dabei etwas Unerwartetes und Wichtiges lernen – aber vor allem: dass wir dabei Spaß haben!“

Neben grundlegender Forschung zur Nanophotonik und zu Anwendungen im Gesundheitswesen und in der Bildgebung umfassen die Projekte der Gruppe Roques-Carmes Kommunikations- und Rechentechnologien der nächsten Generation, die auf rekonfigurierbaren photonischen Schaltkreisen basieren. Dieser Ansatz soll die Entwicklung von Bauteilen ermöglichen, die sensorisch wahrnehmen, lernen und Informationen optisch verarbeiten können – und damit zu zukünftigen optischen KI-Technologien beitragen.

Ein Ort für innovative Ideen und Mentoring

Für Roques-Carmes gehen Forschung und Technologie Hand in Hand. Er hofft, dass seine Gruppe als Ideenbrutstätte für innovative Konzepte dient und zum Technologietransfer innerhalb des ISTA und dessen Technologietransfer-Hub XISTA beiträgt. „Europa verfügt über außerordentliche wissenschaftliche Stärke. Eine der nächsten Herausforderungen besteht darin, stärkere Brücken zwischen akademischen Entdeckungen und Technologien zu bauen, die einen breiten und strategischen Einfluss haben können“, betont er.

Über seine wissenschaftliche Neugier und seinen Innovationsdrang hinaus legt Roques-Carmes großen Wert auf den menschlichen Aspekt hinter technologischen Ambitionen. Er möchte seine erste Kohorte von kreativen, eigenständigen PhD-Student:innen und Postdocs gewinnen und begleiten, die später auch maßgebliche Beiträge in Wissenschaft, Industrie oder Politik leisten werden. „Ich möchte, dass sie unsere Gruppe nicht nur mit starker wissenschaftlicher Ausbildung verlassen, sondern auch mit dem Willen, große gesellschaftliche Herausforderungen in Bereichen wie Energie, Informatik, Bildgebung, Kommunikation und Gesundheit anzugehen“, erklärt er.

Zwischen Karriere, Anerkennung und Leben außerhalb des Labors

Der aus Frankreich stammende Roques-Carmes absolvierte sein Bachelorstudium in Ingenieurwissenschaften und sein Masterstudium in Physik an der École Polytechnique in Palaiseau, Frankreich, bevor er 2022 am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA in Elektrotechnik und Computerwissenschaften promovierte. Anschließend forschte er als Postdoctoral Science Fellow an der Stanford University, bevor er nun seine eigene Forschungsgruppe am ISTA gründete.

Internationale Anerkennung begleitete Roques-Carmes bereits in frühen Karrierejahren. Er wurde in die Forbes-Liste „30 Under 30“ (Wissenschaft, 2023) aufgenommen, erhielt im selben Jahr das Stanford Science Fellowship und wurde 2025 als erster Preisträger mit dem Photonics Innovation Award der Fachzeitschrift „Nanophotonics“ zu Ehren ihres Gründungsherausgebers Federico Capasso ausgezeichnet.

Außerhalb des Labors hält Roques-Carmes die Balance zwischen intensivem Sport und Überlegung. Er findet Ausgleich im Ausdauerlauf, beim Tauchen, beim Wandern und beim großen Aufkochen für Freund:innen. Außerdem liest und schreibt er viel und beschäftigt sich gerne mit Sprache und Ausdruck, insbesondere durch Gedichte und Romane. „In letzter Zeit grüble ich viel darüber, was es bedeutet, im Zeitalter der KI zu schreiben, und wie neue Technologien nicht nur unsere Arbeitsweise, sondern auch die Art und Weise, wie wir uns ausdrücken, verändern könnten.“

Mit Beginn seiner Assistenzprofessur am ISTA stößt Roques-Carmes zu einer interdisziplinären Gemeinschaft von Wissenschafter:innen, um innovative Ideen an der Schnittstelle von Physik und Ingenieurwesen zu erforschen – mit klarem Blick auf konkrete Anwendungen in der realen Welt.