Topologie von Lichtwellen

Topologie kann nicht nur für neue Materialien sondern auch für die Erzeugung von Laser­licht eine ent­scheidende Rolle spielen. Durch eine Kooperation der TU Wien mit Forschungsteams aus den USA wurde ein spezieller Laser entwickelt, der Lichtstrahlen mit charak­teristischen topo­logischen Eigenschaften emittiert. Topo­logische Eigenschaften sind relativ stabil gegenüber Störungen. 

„Die erlaubten Energiewerte eines Systems können zumeist nur auf ganz bestimmten Flächen liegen. Die topo­logische Struktur dieser Flächen bestimmt dann mitunter die Eigenschaften des ganzen Objektes“, erklärt Stefan Rotter vom Institut für theoretische Physik. „Das sind keine Flächen im drei­dimensionalen Raum, wie wir ihn kennen, sondern im Raum der Energiewerte – aber das Prinzip bleibt dasselbe“, erklärt seine Kollege Alexander Schumer. Auch diese Flächen in abstrakten, mathematisch definierten Parameter­räumen werden durch kleine Störungen bloß verformt, bewahren aber ihre topo­logischen Eigenschaften.

Schumer und Rotter forschen in Wien schon seit längerer Zeit mit Hilfe von Computersimulationen an den topo­logischen Eigenschaften von Lichtwellen. Wie man die daraus gewonnenen Erkennt­nisse in der Laserphysik einsetzen kann, war Gegenstand von Alexander Schumers Doktorarbeit. Der nun realisierte Laser besteht aus zwei dicht beieinander­liegenden Licht-Bahnen. Entlang dieser Bahnen kann sich das Licht ausbreiten, an ihren Enden wird es reflektiert. Während des Hin- und Herlaufens kann das Licht von einer Licht-Bahn auf die andere wechseln, es kann durch Energie­zufuhr von außen verstärkt oder auch abgeschwächt werden.

„So gelang es, einen Laser zu bauen, dessen Energien einer topo­logisch nicht trivialen Schleife folgen“, sagt Schumer. Im gewöhnlichen drei­dimensionalen Raum betrachtet geht das Licht einfach vor und zurück. Stellt man hingegen den Weg, den das Licht im Laser zurücklegt, im Raum der möglichen Energie­werte dar, dann zeigt sich: Die Energie beschreibt eine Schleife rund um einen Ausnahmepunkt im Energieraum. „Diese topo­logische Schleife im Energieraum mag abstrakt und belanglos wirken, hat jedoch für das Licht im Laser eine entscheidende Auswirkung: die Energie des Lichts kehrt bei der Umrundung des Ausnahme­punkts nicht zu ihrem Ausgangs­punkt zurück, sondern zu einem anderen Punkt – ähnlich wie eine Bahn auf einem Möbius-Band“, erklärt Schumer.

Wenn man nun beide Seiten des Lasers leuchten lässt, werden genau diese beiden unter­schiedlichen Endpunkte der Bahn um den Ausnahmepunkt sichtbar: die zwei Lichtstrahlen, die vom Laser in die entgegen­gesetzte Richtung emittiert werden, weisen den charak­teristischen Unterschied auf, dass sie sich auf einer Seite im Zentrum verstärken, auf der anderen Seite hingegen auslöschen. „Das ist eine direkte Konsequenz der topo­logischen Eigenschaften“, betont Schumer. „Damit haben wir gezeigt, wie man diese topo­logischen Konzepte auch in der Laserphysik zugänglich machen kann, ohne auf photonische Gitter oder Kristall­strukturen zurückgreifen zu müssen“, sagt Rotter. „Das könnte, ähnlich wie in der Festkörper­physik, zu wichtigen neuen Anwendungs­möglichkeiten führen. Man könnte damit möglicherweise besonders robuste, starke Laser bauen, in denen man über einen langen Pfad hinweg das Licht verstärken kann.“

TU Wien / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Schumer et al.: Topological modes in a laser cavity through exceptional state transfer, Science 375, 884 (2022); DOI: 10.1126/science.abl6571
• Institut für Theoretische Physik (S. Rotter), Technische Universität Wien

Weitere Beiträge

• E. Meyer und A. Szameit, Erhellende Topologie, Physik Journal, Mai 2017, S. 29 PDF