15.01.2021

Photonik – eine Spielwiese der Physik

Die Anwendung der Supersymmetrie erweist sich als vielversprechendes Konzept in der Photonik.

Licht fasziniert die Wissenschaft seit Jahrhunderten. Es vereinigt Optik und Quanten­physik miteinander, ist sowohl Welle als auch Teilchen und keines von beiden. Die moderne licht­basierte Wissenschaft und Technologie – die Photonik – ist Treiber vieler technischer Innovationen. Ohne sie gäbe es keine Halbleiter­industrie, keine Smartphones und kein schnelles Internet.

Gleichzeitig sind licht­führende Systeme auch ein ideales Testbett für die gesamte Physik. Konzepte aus den Bereichen der Fest­körper­physik, Topologie, Quanten‐ und Teilchen­physik können mit Hilfe der Photonik erforscht und besser verstanden werden. Damit lassen sich neue Technologien entwickeln – auch jenseits der Photonik.
 

Abb.: Ein PT-symmetrisches Objekt wird durch kombinierte Paritäts (P)- und...
Abb.: Ein PT-symmetrisches Objekt wird durch kombinierte Paritäts (P)- und Zeit (T)-Umkehr in sich selbst überführt. Die nächste Stufe ist der Einsatz von Super­symmetrie in der Photonik. (Bild: Phys. Unserer Zeit / U. Rostock)

In Festkörpern laufen viele dynamische Prozesse ab, die experimentell nur schwer zugänglich sind. Sie lassen sich mit Hilfe photonischer Systeme untersuchen und führen zu neuen Erkenntnissen. Dazu werden Elektronen­wellen­funktionen durch Lichtwellen und atomare Potentiale durch Brechzahl­verteilungen abgebildet, sodass dieselben Gesetz­mäßigkeiten herrschen. Durch die Analyse in diskreten photonischen Gitter­strukturen sinkt der Aufwand in der Untersuchung von Quanten­transportregimen deutlich. Beispiele sind die Anderson‐Lokalisierung, hervorgerufen durch Unordnung, oder Bloch‐Oszillationen, angeregt durch externe Felder.

Ähnliches gilt für das heute als „Hot Topic“ geltende Gebiet der Topologie, das 2016 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurde. Das ursprünglich aus der Mathematik kommende Teilgebiet der Physik kann auf verschiedenen Plattformen implementiert und genutzt werden – so auch in optischen Systemen: Wellenleitern, gekoppelten Resonatoren oder photonischen Kristallen. Der hohe Kohärenzgrad und die geringe Wechsel­wirkung mit der Umgebung ermöglichen die Realisierung photonisch‐topologischer Systeme mit völlig neuen Eigenschaften. Dazu zählen eine streuungs­freie Licht­führung, funktionale photonische Komponenten mit extremer Fehler­toleranz und sogar hoch­effiziente „Trichter“ für Licht.

Auch die Teilchenphysik inspiriert die Photonik­forschung. Das Konzept der Supersymmetrie (SUSY) zur einheitlichen Beschreibung von Bosonen und Fermionen kann in die Optik übertragen werden. Super­symmetrische photonische Partner zeigen nahezu identische Eigenschaften, insbesondere das gleiche Eigenwertspektrum, aber unter­schiedliche Brechzahl­landschaften. Eine ganze Reihe toller Anwendungs­fälle lässt sich so ersinnen: Moden­konverter zur Erhöhung der Kanal­kapazitäten in der optischen Kommunikation, von außen unsichtbare Strukturen und optische Schichten mit perfekten Spezifikationen bei minimalen Struktur­tiefen.

Im Feld der Quantenphysik vermischt sich die Eigenschaft von photonischen Systemen als Testbett mit der als tatsächliches Quanten­system. 1998 machten Carl M. Bender von der Washington University und sein Student Stefan Böttcher eine fundamentale Entdeckung: Nicht­hermitesche, dafür aber paritäts‐ und zeit­symmetrische (PT‐symmetrische) Systeme können ein komplett reelles Eigenwert­spektrum haben. Das klingt zunächst nach einem abstrakten Konzept, aber damit legten sie den Grundstein für eine Vielzahl photonischer Implementierungen derartiger Systeme.

Matthias Heinrich erklärt ab Seite 26 detailliert, wie dieser Ansatz funktioniert, und wie Super­symmetrie und PT‐Symmetrie in photonischen Strukturen zusammenspielen. Neben fundamentalen neuen Erkenntnissen der Grundlagen­forschung legt er einen Haupt­schwerpunkt auf potenzielle Anwendungs­szenarien, wie neuartige optische Isolatoren, neue Laser­konzepte und hoch­empfindliche Detektoren. Besonders bemerkens­wert ist die Möglichkeit, die Kanal­kapazität in Bereich der Kommunikation zu erhöhen. Dies lässt sich sowohl auf klassische Laser‐ wie auch auf moderne Quanten­kommunikation anwenden.

Insbesondere in der disruptiv wirkenden Quanten­technologie ist Licht entscheidend. Photonischen Systemen kommt in allen vier Säulen – Quanten­kommunikation, Quanten­computing, Quanten­bildgebung und Quanten­sensorik – eine entscheidende Rolle zu. Gerade hier, in der Symbiose aus Quanten­technologie und Konzepten wie Super­symmetrie und PT‐Symmetrie, kann ein Quell neuer Erkenntnisse und Innovationen zum Nutzen für Wissenschaft und Gesellschaft entstehen.

Markus Gräfe, Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, Jena

 

Originalveröffentlichungen

M. Gräfe, Photonik – eine Spielwiese der Physik, Phys. Unserer Zeit 52(1), 3 (2021); https://doi.org/10.1002/piuz.202170102

M. Heinrich, Jenseits von Parität und Zeit, Phys. Unserer Zeit 52(1), 26 (2021); https://doi.org/10.1002/piuz.202001585

(DE)

 

 

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