Topologische Photonik

Helikale Wellenleiterstrukturen brechen effektiv die Zeitumkehrsymmetrie und erlauben damit die Beobachtung topologischen Verhaltens von Licht.
Beobachtung eines streufreien chiralen Randzustands. Diese geschützten Moden sind ein charakteristisches Merkmal topologischer isolatoren.

Die Lichtausbreitung in einem photonischen System ist 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 anormalen topologischen Isolators [Nature Commun. 8, 13756 (2017).] sowie eines topologischen Anderson Isolators [Nature 560, 461-465 (2018)].

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 Grenzzustand genutzt werden konnte [Nature Mater. 16, 433 (2017)].

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