Erstmals dreidimensionaler topologischer Isolator für Licht erzeugt

Das Konzept regelmäßiger Strukturen ist nicht nur in der Material­wissen­schaft von Relevanz, sondern erlaubt auch die mathe­ma­tische Beschreibung der Licht­aus­breitung in gitter­förmigen Anordnungen von Wellen­leitern. „Licht­strahlen breiten sich gerad­linig aus und lassen sich allen­falls durch Reflexion an einem Spiegel oder die Brechung an einer Linse ablenken“, beschreibt Alexander Szameit von der Uni Rostock das all­täg­liche Verständnis für Licht. „Darum erstaunt es mich immer wieder, dass wir Licht tatsächlich auf definierte Bahnen leiten können und es zwischen ihnen hin- und herspringen kann wie die Elektronen in einem Kristall.“ Diese Idee bildet die Grundlage seiner Forschung, die Wellen­leiter­systeme nutzt, um verschiedene Facetten der Fest­körper­physik auf die Optik zu über­tragen und gänzlich neue Effekte und neuartige funktio­nelle Strukturen zu entwickeln.

So gelang es Szameit und seinem Team kürzlich in Zusammen­arbeit mit dem Technion Haifa in Israel und der Uni Zhejang in China, den ersten drei­dimen­sionalen topo­lo­gischen Isolator für Licht zu konstruieren. „Topo­lo­gische Isola­toren sind eine eigen­ständige Phase von Materie, die überhaupt erst vor wenigen Jahr­zehnten entdeckt wurde“, erläutert Team-Mitglied Lukas Maczewsky den Ausgangs­punkt der Experimente. „Ihr photonisches Gegenstück kann Licht um Defekte und scharfe Ecken herumleiten und schützt es dabei vor ansonsten unver­meid­licher Streuung.“

Die hohe Ausbreitungs­geschwin­dig­keit macht es jedoch normaler­weise nötig, mindestens eine der Raum­richtungen zu opfern, um Licht in den ver­bleibenden Richtungen zu kontrol­lieren. Dement­sprechend waren bisherige Ansätze der topo­lo­gischen Photonik auf ein­dimen­sionale oder planare Anordnungen beschränkt.

Diese Einschränkungen wurden nun durch das Forscher­team auf elegante Weise über­wunden: durch die gezielte Platzierung eines schrauben­förmigen Gitter­defekts. Diese spezielle Form einer Fehlstelle verbindet benachbarte Gitter­ebenen auf systema­tische Weise, die sich wie eine Wendel­treppe um eine zentrale Achse winden.

Dieser wissen­schaft­lich-techno­logische Durchbruch stellt einen wichtigen Schritt auf dem Gebiet der topo­lo­gischen Photonik dar. Wenngleich es noch einige Hürden zu überwinden gibt, bis die hierbei gewonnenen Erkenntnisse tatsächlich zum Einsatz kommen können, haben diese Entwick­lungen enormes Potenzial für verschie­denste innovative Zukunfts­techno­logien, wie beispiels­weise kompakte drei­dimen­sionale Schalt­kreise für optische Quanten­computer und funktio­na­li­sierte optische Materialien mit maßge­schneiderten Eigen­schaften für hoch­empfind­liche optische Sensoren.

U. Rostock / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Lustig et al.: Photonic topological insulator induced by a dislocation in three dimensions, Nature 609, 931 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-05129-7
• AG Experimentelle Festkörperoptik (A. Szameit), Institut für Physik, Universität Rostock