Die elektrische Ladung definiert, wie stark und mit welchem Vorzeichen ein Teilchen auf elektromagnetische Felder reagiert. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass solche Felder keinerlei Einfluss auf ungeladene Teilchen entfalten können. Synthetische Eichfelder ermöglichen es hingegen, durch die geschickte Nutzung geometrischer Effekte oder Modulationen der Parameter des umgebenden Mediums ungeladene Teilchen wie Photonen so zu beeinflussen, als ob sie der Wirkung eines externen Feldes ausgesetzt sind.

In optischen Systemen stellen synthetische Eichfelder die Grundlage für ungewöhnliche Materialeigenschaften und faszinierende Effekte dar. Insbesondere ermöglicht dieses Konzept die Realisierung synthetischer magnetischer Effekte in photonischen Strukturen, und gewährt damit Zugang zu neuartigen Wellenleitungsmechanismen und topologischen Phänomenen. Synthetische Eichfelder in der Photonik gewähren nicht nur fundamentale Einsichten in neuartige physikalische Konzepte, sie ermöglichen darüber hinaus auch innovative technologische Anwendungen zur Kontrolle der Lichtdynamik, wie beispielsweise einen neuen Ansatz zur Lichtleitung in integrierten photonischen Strukturen  [Nature Photon. 13, 339 (2019)].

Synthetische Eichfelder spielen insbesondere bei unseren Implementierungen topologischer photonischer Phänomene eine herausragende Rolle, so wie bei der Realisierung des ersten photonischen topologischen Isolator [Nature 496, 196 (2013)], des ersten topologischen Isolator mit synthetischen Dimensionen  [Nature 567, 356 (2019)] und den topologischen Wurzel-Isolatoren mittels Aharonov-Bohm-Käfigen [Nature Commun. 11, 907 (2020)].

Interessanterweise, sind die Anwendungen nicht auf die Implementierung von elektromagnetischen Eichfeldern begrenzt, sondern erlauben auch eine Erweiterung auf nicht-Abelsche Strukturen, wie sie von der starken Wechselwirkung bekannt sind. Erst kürzlich gelang uns die Realisierung von nicht-Abelschen photonischen Holonomien [Phys. Rev. Research 1, 033117 (2019)].

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