12.06.2026

Tomoki Ozawa und die Geometrie des Lichts

Deutsch-japanisches Team hat die Quantengeometrie auf photonische Systeme angewendet und den Werkzeugkoffer für die topologische Photonik erweitert.

Die Quantengeometrie beschreibt Quantenzustände in Systemen mit sich ändernden Systemparametern. Ein Elektron, das sich in einem Magnetfeld dreht, dessen Richtung sich langsam ändert, wäre so ein System mit sich ändernden Systemparametern. Der Zustand des Elektrons entwickelt sich weiter, und diese Veränderung wird durch den sogenannten quantengeometrischen Abstand quantifiziert. Mithilfe dieser abstrakten geometrischen Beschreibung lässt sich beispielsweise die Supraleitung in exotischen Quantenmaterialien erklären. Ein anderes Beispiel findet sich in der Quantenmetrologie: Durch die Anwendung der Quantengeometrie lassen sich grundlegende Grenzen für die Messgenauigkeit erweitern.

omoki Ozawa, Forschungsgruppenleiter am Advanced Institute for Materials Research der Tohoku-Universität, Sendai, Japan

Anton Montag, Doktorand in der Forschungsgruppe Nicht-Hermitesche topologische Phänomene am MPI für die Physik des Lichts

In einem internationalen Forschungsprojekt haben Tomoki Ozawa, ein weltweit führender Experte für topologische Photonik der Tohoku-Universität, Sendai, und Anton Montag, Doktorand am MPL in Erlangen, die Quantengeometrie erstmals auf nicht-hermitesche photonische Systeme angewendet.

Nicht-hermitesche Beschreibungen von Systemen sind im Gegensatz der herkömmlichen Betrachtung von geschlossenen physikalischen Systemen deutlich komplexer: Sie berücksichtigen den Austausch zwischen dem System und seiner Umgebung. So fließen wichtige zusätzliche Eigenschaften wie beispielsweise der Intensitäts- oder Energiegewinn und -verlust in diesen mathematischen Ansatz ein. In den letzten Jahren hat sich das Forschungsfeld nicht-hermitescher topologischer Systeme rasant entwickelt und weitreichende Erkenntnisse für die Experimentalphysik geliefert. Zahlreiche theoretische Vorhersagen wie der nicht-hermitesche Skin-Effekt, die Trichterbildung von Licht oder die unidirektionale Unsichtbarkeit wurden in photonischen Experimenten verifiziert.

Montag und Ozawa haben untersucht, ob „quantengeometrische“ Effekte das Verhalten von nicht-hermiteschen Systemen photonischen Systemen beeinflussen und damit einen neuen Grad der Komplexität in die mathematische Beschreibung eingebracht. Die Wissenschaftler veröffentlichten kürzlich drei wesentliche Erkenntnisse.

Wenn polarisiertes Licht ein anisotropes Medium durchläuft, in dem die Intensitätsänderung von der Polarisation des Lichts abhängt, bewegt es sich nicht geradlinig, sondern wird abgelenkt. Der Weg wird dabei durch die „Quantengeometrie“ bestimmt. Durch die nicht-hermiteschen Erweiterungen kann man nun auch steuern, wie stark das Licht dabei an Intensität gewinnt oder verliert – sozusagen ein programmierbares künstliches Potenzial für Licht.

Das deutsch-japanische Team hat eine Methode entwickelt, mit der die Quantenmetrik direkt experimentell messbar ist. Dabei liegt folgendes Prinzip zugrunde: Man regt ein photonisches System mit einem schwachen periodischen Signal an und misst die Antwort des Systems. Durch die Anregung entsteht ein wenig Licht, das aus dem System austritt. Die Intensität dieses austretenden Lichts ist direkt proportional zur Quantenmetrik – man kann sie quasi einfach ablesen.

„Für die vorliegende Fragestellung war die Zusammenarbeit mit der japanischen Gruppe eine ideale Konstellation. Dr. Ozawa brachte seine Expertise in der topologischen Photonik ein, während die Erlanger Gruppe um Flore Kunst den Schwerpunkt aus dem Bereich nicht-Hermitesche topologische Phänomene ergänzt“, sagt Montag. „Das Ergebnis begeistert mich sehr, da es sich grundlegend von den Situationen der (gewöhnlichen) hermitischen Quantenmechanik unterscheidet und damit eine einzigartige Eigenschaft nicht-hermitischer Systeme hervorhebt“, ergänzt Ozawa.

In den letzten Jahren hat die experimentelle topologische Photonik enorme Fortschritte gemacht. Viele der Vorhersagen können direkt experimentell überprüft werden. Auf der anderen Seite liefern die künstlichen Potentiale für Licht einen neue Designmöglichkeiten für photonische Systeme. Das gleiche Prinzip gilt auch für extrem kalte Gase aus Atomen. Dort werden solche künstlichen Potenziale beispielsweise genutzt, um künstliche Magnetfelder zu erzeugen. Atomverluste aus dem Gas – bisher als Problem betrachtet – könnten nach dieser Theorie gezielt genutzt werden, um nicht-hermitesche Effekte in ultrakalten Atomgase zu erzeugen. [MPL / dre]

Weitere Informationen

Originalpublikation
A. Montag & T. Ozawa. Quantum geometrical effects in non-Hermitian systems, Phys. Rev. Research 8, 013181, Februar 2026; DOI: 10.1103/qb8s-9c6y
Condensed matter theory & AMO theory (Ozawa Group), tomokiozawa.com, Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Tōhoku Daigaku, Sendai & RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences iTHEMS, Wakō
Lise-Meitner-Forschungsgruppe Nicht-Hermitesche topologische Phänomene (Flore Kunst), Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts

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Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts

Staudtstr. 2
91058 Erlangen
Deutschland

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