Topologie im Licht
Würzburger erzeugen optisches Phänomen, inspiriert von Quanten-Hall- und Spin-Hall-Effekt.
Forschenden des Exzellenzclusters ctd.qmat ist es gelungen, den topologischen Quanten-Hall- & Quanten-Spin-Hall-Effekt durch gezieltes Materialdesign auf ein hybrides Licht-Materie-System zu übertragen. Das Team um Sebastian Klembt erzeugte das optische Quantenphänomen mit Polaritonen – hybriden Licht-Materie-Teilchen. Dieser Effekt ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur optischen Informationsverarbeitung.
Die Experimente wurden am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg durchgeführt, verantwortet von Simon Widmann. An der Theoriebildung waren neben Prof. Ronny Thomale, ebenfalls Gründungsmitglied von ctd.qmat und Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik I, auch Forschende der Nanyang Technological University Singapur beteiligt.
„Unsere Mikrostrukturen sind deutlich kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Diese Struktur haben wir im Reinraumlabor gezielt so entworfen, dass unser Laserlicht besondere Eigenschaften bekommt. Der topologische Lichttransport, den wir nachweisen konnten, und der dahinterstehende Effekt eröffnen neue Möglichkeiten für topologische Polariton-Laser und optische Informationsverarbeitung“, erklärt Klembt.
Die Würzburger Forschenden haben Galliumarsenid so aufgebaut, dass elliptisch geformte Mikrosäulen in einer Kette angeordnet sind. Sobald Laserlicht auf die Probe trifft, interagieren die Photonen dort mit den Exzitonen.
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Spiegelschichten in den Mikrosäulen sorgen dafür, dass die neuen hybriden Teilchen – die Polaritonen – in den Mikrosäulen bleiben und sich dort wie Elektronen beim topologischen Stromtransport verhalten: "Die elliptische Form der Mikrosäulen und die Winkel, mit denen die Mikrosäulen miteinander gekoppelt sind, erzeugen ein künstliches Eichfeld. Ähnlich einem Magnetfeld, das auf Elektronen wirkt, bestimmt dieses Eichfeld das Verhalten unserer Polaritonen“, ergänzt Klembt.
Im hybriden Materialsystem der Würzburger Forschenden kann das Licht durch die besondere Geometrie links- oder rechtszirkular polarisiert sein, das heißt, seine Schwingung dreht sich im Uhrzeigersinn oder dagegen. Diese beiden Polarisationen bewegen sich entlang entgegengesetzter Pfade – das ist die optische Analogie zum Quanten-Spin-Hall-Effekt. „Die zirkulare Polarisation des Lichts funktioniert als Pseudo-Spin“, so Klembt.
Die jetzt publizierten Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten zum Beispiel für topologische Polariton-Laser, Spin-basierte Transistoren oder optische Informationsverarbeitung. Die Polarisation des Lichts kann hierbei auch zur Informationsübertragung genutzt werden. [ctd.qmat / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
S. Widmann, J. Bellmann, J. Düreth, et al., Artificial gauge fields and dimensions in a polariton hofstadter ladder, Nat. Commun. 17, 1586, 12. Februar 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-68530-0 - Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien), Universität Würzburg und TU Dresden
- Light-Matter Interaction and Topological Photonics (Sebastian Klembt), Universität Würzburg
