Robuste Ausbreitung von Licht in topologischen Isolatoren

Physikerinnen und Physiker der Universität Rostock, des Exzellenz­clusters ct.qmat, der Julius-Maximilians Universität Würzburg und der Indiana University Indiana­polis konnten erstmals zeigen, dass sich Licht in Systemen, die mit ihrer Umgebung wechselwirken, verlustfrei ausbreiten kann. Bisher ging man davon aus, dass solche Wechsel­wirkungen das Licht exponentiell abschwächen oder verstärken und damit zur Instabilität des Systems führen. Die Forschungs­ergebnisse könnten in Zukunft die Grundlage für die Entwicklung neuer, robuster Schaltkreise für Strom, Licht und Schallwellen bilden.

Damit kein Austausch mit der Umgebung stattfindet, wird ein zu untersuchendes System von der Außenwelt abgeschirmt. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit der Stabilisierung: Mit etwas Finger­spitzengefühl lassen sich Zustrom und Abfluss von Energie so positionieren, dass sie sich unter allen denkbaren Bedingungen ausgleichen. Ein systema­tischer Ansatz, der dies sicherstellt, ist die Parität-Zeit-Symmetrie (PT-Symmetrie). Ähnlich wie bei einem Video, das rückwärts abgespielt und gleichzeitig in einem Spiegel reflektiert wird und dennoch genau wie das Originalvideo aussieht – also PT-symmetrisch ist – werden die Komponenten im System so angeordnet, dass ein Austausch von Licht­verstärkung und -verlust durch die gleichzeitige Spiegelung und Zeitumkehr das System unverändert erscheinen lässt. Dieser scheinbar abstrakte Ansatz ebnet nun den Weg zu einem tieferen Verständnis der Physik offener Systeme.

Alexander Szameit und sein Team untersuchen in maßge­schneiderten photonischen Schaltkreisen das Verhalten natürlicher sowie synthetischer Materialen, die durch ein regelmäßiges Gitter beschrieben werden können, mit Hilfe von Licht. Damit lassen sich verschiedenste physika­lische Theorien auf den Prüfstand stellen. So gelang es den Wissen­schaftlern, die PT-Symmetrie mit dem Konzept der Topologie zu vereinen. Die Topologie untersucht dabei Eigenschaften, die sich nicht verändern, obwohl das zugrundeliegende System stetig verformt wird. Diese Eigenschaften machen ein System dann oft widerstands­fähig gegenüber äußeren Einflüssen.

Für ihre Experimente nutzt Szameits Arbeitsgruppe laser-geschriebene Wellenleiter – optische Strukturen, die mit einem Laserstrahl in ein Material geschrieben werden. In diesen realisieren sie topo­logische Isolatoren. „Solche Isolatoren sind ein heißes Thema, weil sie Strom oder Lichtsignale verlust­frei entlang ihrer Oberfläche leiten können“, so Szameit. „Das einzig­artige Verhalten dieser neuen Klasse von Materialien schirmt Signale gleichermaßen von Defekten und Störungen ab, ist also sehr viel robuster, was für verschie­denste Anwendungen von großem Interesse ist.“

Bisher galt diese Robustheit als nicht mit dem Energie­austausch in offenen Systemen vereinbar. Gemeinsam konnten die Forschenden aus Rostock, Würzburg und Indianapolis jedoch zeigen, dass eine geschickte raum-zeitliche Modulation von Verstärkung und Dämpfung im System diesen scheinbaren Widerspruch auflösen kann. Doktorand Alexander Fritzsche führt aus: „Ähnlich einem Wanderer im Gebirge, der trotz ständigem Auf und Ab stets auf seine Ausgangshöhe zurückkehrt, erfahren Licht­signale abwechselnd Verstärkung und Dämpfung – so können sie im Mittel ihre Amplitude beibehalten und sind dadurch sehr viel stabiler.“ Die Erkenntnisse könnten in Zukunft den Ausgangs­punkt zur Entwicklung neuartiger robuster Schaltkreise für elektrischen Strom, Licht und sogar Schallwellen bilden.

U. Rostock / JOL