Die Lichtausbreitung in einem photonischen System wird typischerweise in Abhängigkeit von Frequenz, Wellenvektor, Polarisation und Phase der propagierenden Lichtwelle betrachtet.

In den letzten Jahren hat ein neuer Freiheitsgrad Einzug in die Photonik gehalten: die Topologie – eine Eigenschaft eines photonischen Materials, welches die globale Struktur des Systems mit dessen Dispersion verknüpft. Die Untersuchung topologischer Eigenschaften von Systemen ermöglicht die Entdeckung neuer fundamentaler Zusammenhänge sowie zukunftsweisende Anwendungen, wie zum Beispiel photonische Schaltkreise und extreme Verlangsamung von Licht („Slow Light“). Dabei sind die Systeme extrem stabil und robust gegenüber Störungen, Defekte und Unordnung.

Unsere Femtosekunden-lasergeschriebenen Wellenleitersysteme [J. Phys. B 43, 163001 (2010)], kommen zur Untersuchung des Einflusses von topologischen Größen eines Systems auf die Lichtausbreitung zum Einsatz. Wir zeigten u.a. die erste experimentelle Umsetzung eines photonischen topologischen Isolators [Nature 496, 196 (2013)], die erste Realisierung der Erzeugung und Vernichtung von topologischen Randzuständen [Phys. Rev. Lett. 111, 103901 (2013)], die Lokalisierung von Bandmoden [Phys. Rev. Lett. 114, 245503 (2015)], die Entdeckung von bis dato unbekannten Randzuständen in graphenartigen Strukturen [Nature Mater. 13, 57 (2014)], die Kopplung von beliebigen Z2-Eichtransformationen [Phys. Rev. Lett. 116(21), 213901 (2016)], sowie die erste Realisierung eines anomalen topologischen Isolators [Nature Commun. 8, 13756 (2017).], eines topologischen Anderson Isolators [Nature 560, 461-465 (2018)], eines photonischen topologischen Isolators mit fermionischer Zeitumkehrsymmetrie [Nature Mater. 19, 855–860 (2020)], sowie eines topologischen Isolators mit synthetischen Dimensionen  [Nature 567, 356 (2019)].

In weiteren Arbeiten kombinieren wir Topologie mit Nichthermitischen Systemen  [Phys. Rev. Lett. 113, 123903 (2014)], wobei wir bereits zeigen konnten, dass topologische Größen aus der Lichtwellenpropagation extrahiert werden können [Phys. Rev. Lett. 115, 040402 (2015)], und das dies sogar für die experimentelle Umsetzung des ersten PT-symmetrischen topologischen Grenzzustandes genutzt werden konnte [Nature Mater. 16, 433 (2017)]. Erst kürzlich demonstrierten wir einen topologischen Tunnel für Licht  [Science 368, 311 (2020)].

Back