Einbahnstraße für Licht

Im vergangenen Jahrzehnt hat eine neue Art von Materi­alien in zunehmen­dem Maße die Auf­merk­sam­keit auf sich gezogen: die topo­lo­gischen Isola­toren. Diese Materi­alien zeichnen sich durch eine ganz besondere Eigen­schaft aus: Sie ver­halten sich im Innern wie ein Iso­lator, besitzen aber leitende Zustände an ihren Grenzen. Da diese Zustände „topo­logisch geschützt“ sind, sind sie sehr robust gegen­über Verun­reini­gungen, und elek­trische Ströme können fast wider­stands­frei fließen. Das macht diese Materi­alien außer­ordent­lich inte­res­sant für Anwen­dungen in der Quanten­kommuni­kation und Quanten­infor­mations­ver­arbeitung.

Tao Shi von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Ignacio Cirac vom MPI für Quanten­optik und Jeff Kimble vom Caltech haben jetzt ein detail­liertes Konzept ent­wickelt, einen zwei­dimen­sionalen topo­lo­gischen Iso­lator mit einem klas­sischen optischen Netz­werk zu ver­wirk­lichen. „In diesem Netz­werk spielen die Licht­moden die Rolle der elek­tro­nischen Zustände in einer zwei­dimen­sio­nalen Kristall­schicht“, erklärt Shi. „Die Erzeu­gung von chiralen Licht­moden an den Kanten wird es viel­leicht ermög­lichen, einen elektro­magne­tischen Wellen­leiter zu bauen, der Licht nur in einer Rich­tung durch­lässt, während die ent­gegen­gesetzte Rich­tung nicht erlaubt ist.“

Festkörperkristalle sind charakterisiert durch ihre spezi­fische Band­struktur: Bei einem Iso­lator ist das voll­besetzte Valenz­band durch eine große verbotene Zone vom Leitungs­band getrennt. Das gilt jedoch nur für Proben mit unend­licher Aus­dehnung. Bei kleinen, klar abge­grenzten Kristallen oder Schichten unter­scheiden sich die elek­tro­nischen Zustände an den Ober­flächen und Kanten von denen im Innern. Manch­mal befinden sie sich sogar in der Mitte der Band­lücke. Da die Form der Band­struktur mathe­matisch durch topo­lo­gische Zahlen gekenn­zeichnet wird, nennt man solche Systeme „topo­lo­gische Isola­toren“.

Die Chiralität der Zustände an den Grenzen ist eng an den Elek­tron­spin gekoppelt und infolge­dessen durch die Zeit­umkehr-Symmetrie geschützt: Eine Richtungs­umkehr würde ein Um­klappen des Spins impli­zieren. Für eine bestimmte Stoff­klasse mit nicht-trivialen topo­lo­gischen Zahlen ist das aber nicht erlaubt. Deshalb sind diese Zustände hier geschützt und robust gegen­über Verun­reini­gungen und Ver­for­mungen, solange die Störungen klein sind. Bei einer bestimmten Klasse von zwei­dimen­sio­nalen topo­lo­gischen Isola­toren lässt sich auch der Quanten-Spin-Hall-Effekt beob­achten. Intuitiv gesprochen beschreibt der Effekt das Phänomen, dass Elek­tronen mit unter­schied­lichem Spin ent­gegen­gesetzt gerich­teten Magnet­feldern aus­ge­setzt sind.

Abweichend von früheren Entwürfen schlagen die drei Wissen­schaftler ein optisches Netz­werk vor, das aus passiven Ele­menten wie Glas­fasern, Strahl­teilern und Wellen­plätt­chen besteht. Dadurch werden Ver­luste im System weit­gehend redu­ziert. Indem sie für die Netz­knoten schlechte Resona­toren – also solche mit hoher Dämpfung – verwenden, dehnen sie die topo­lo­gische Band­lücke auf den gesamten Spektral­bereich freier Moden aus. Dadurch können die Licht­moden an den Kanten wesent­lich länger fort­be­stehen. Darüber hinaus führt das Wechsel­spiel von Kerr-Nicht­linea­rität und Topo­logie zu der Erzeu­gung von gequetschten Kanten-Moden.

„Das optische Analogon eines topologischen Isolators ebnet den Weg, einen uni­direktio­nalen Wellen­leiter zu bauen“, führt Shi aus. „Unser eigent­liches Ziel ist es, in diesem photo­nischen System den fraktio­nierten Quanten-Hall-Effekt umzu­setzen. Dazu müssen wir mit Hilfe von Atomen eine starke Photon-Photon-Wechsel­wirkung indu­zieren. Wir möchten aber auch exotische topo­lo­gische Phasen auf­decken, die in gewöhn­licher konden­sierter Materie gar nicht vor­kommen.“

MPQ / RK