Revolutionierung des Lichttransports: Neues Modell ebnet Weg für fortschrittliche Optik

Die in der Illustration gezeigte neuartige Struktur wurde entworfen, um eines zu tun: die Form des Lichts zu verändern, während es transportiert wird. In einer kürzlich erschienenen Arbeit zeigten Professor Mercedeh Khajavikhan und ihr Team, wie dies durch ein neues theoretisches Modell erreicht werden kann, das tiefgreifende Auswirkungen auf viele Aspekte unseres Lebens haben könnte.

Licht kann durch Laser für Bildgebung und Sensorik erzeugt, durch Glasfaserkabel für fortschrittliche Kommunikation geleitet und in Chips integriert werden, um Rechenkapazitäten auf ein Niveau zu steigern, das frühere Generationen nicht hätten träumen können. Obwohl jeder dieser Fortschritte mit einem neuen Gerät enden mag, das von einem mechanischen, astronautischen, biomedizinischen oder Informatik-Ingenieur gebaut wurde, haben sie ihren Ursprung in der Photonik.

Lichtteilchen neigen dazu, sich als Wellen zu bewegen, und Photonik ist die Wissenschaft, diese Wellen zu nutzen. Von hochmodernen Experimenten der Quantenkommunikation mit verschränkten Photonen bis hin zu Alltagstechnologien wie Smartphone-Bildschirmen, LiDAR und Glasfaser-Internet – Photonik hat unser Leben mehr verändert, als die meisten Menschen realisieren. Und obwohl das Feld seit über einem Jahrhundert besteht, drängen Forscher immer noch in neue Grenzen vor.

Eine dieser Grenzen heißt topologische Photonik. Sie kombiniert traditionelle Photonik mit topologischer Physik – ein Bereich, der teilweise von Nobelpreisträger und ehemaligem USC-Professor Duncan Haldane vorangetrieben wurde. Topologische Physik – die mathematische Untersuchung von Formen und ihrer Anordnung im Raum – wurde verwendet, um viele interessante Eigenschaften in der Elektronik zu erklären und hat zur Entwicklung mehrerer neuer Materialien und Geräte geführt. Jetzt, durch die Kombination topologischer Physik und Photonik, können Forscher noch kreativere und nie zuvor gesehene Lichtstrukturen entwerfen.

Was ist also so besonders an dieser neuen Struktur und wie wurde sie gebaut? Das Team nutzt zunächst topologische Physik, um ein Design zu entwickeln, das sie erforschen wollen. Dann führen sie Simulationen durch, um zu verstehen, wie die Elemente in der Struktur miteinander interagieren sollten. Als Nächstes entwerfen sie die einzelnen Zellen – die kleinen Bausteine, die die gesamte Struktur ausmachen. Sobald das Zelldesign完成 ist, müssen sie entscheiden, wie diese zusammen angeordnet werden sollen, um die Struktur zu bilden. Schließlich wird das Design in einen Nano-Fertigungs-Reinraum gebracht, wo das physische Produkt – kleiner als 0,25 Quadratmillimeter – gebaut wird. Was übrig bleibt, ist eine völlig einzigartige Struktur, die Licht in eine neuartige Form bringt, wenn es hindurchfließt. Diese neue Form hat wiederum neue Eigenschaften, wie bessere Laserreinheit und höhere Effizienz.

So beeindruckend das auch ist, Khajavikhan und ihr Team entschieden sich, noch weiterzugehen. Und hier kommt die Kombination von Physik und Photonik wirklich ins Spiel. Topologische Materialien können erstaunliche neue Transporteigenschaften aufweisen, aber sie können nicht leicht zwischen einem "Ein"- und "Aus"-Zustand umgeschaltet werden. Denken Sie an diese Lichtstrukturen wie an ein hochmodernes Rennauto. Sie können schneller fahren, härter kurven und mehr als ihre Konkurrenten. Aber wenn Sie das Auto nie ausschalten können, sobald Sie den Motor gestartet haben, ist es keine sehr praktische Maschine.

Genau das gelang dem USC-Team – die Kontrolle über dieses neue Licht. Sie führten eine Technik aus photonischen Systemen namens "optisches Pumpen" ein, um den topologischen Eigenschaften der Struktur die Fähigkeit zu geben, ein- und auszuschalten. Die Fähigkeit, nicht nur die Form des Lichts, sondern auch wann und wie es durch ein System fließt, zu kontrollieren, ist von größter Bedeutung.

Für die Forscher ist die Arbeit an dieser neuen Struktur erst der Anfang. "Unsere Ergebnisse eröffnen völlig neue Wege, topologische Systeme zu untersuchen, und wir planen, weitere Designs zu entwickeln, die das Gesicht einer ganzen Reihe von Branchen verändern könnten, wie holografische Bildschirme und Hochleistungslaser", sagte Khajavikhan.