Engineering des Lichtflusses

Die in der Abbildung gezeigte neuartige Struktur wurde entwickelt, um eines zu tun:die Form des Lichts zu ändern, während es transportiert wird. In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung zeigten Professor Mercedeh Khajavikhan und ihr Team, wie dies durch die Verwendung eines neuen theoretischen Modells erreicht werden kann, das tiefgreifende Auswirkungen auf viele Aspekte unseres Lebens haben könnte.

Licht kann von Lasern zur Bildgebung und Sensorik erzeugt, für fortschrittliche Kommunikation durch Glasfaserkabel geleitet und in Chips eingebaut werden, um die Rechenleistung auf ein Niveau zu steigern, von dem frühere Generationen nicht zu träumen gewagt hätten. Obwohl jeder dieser Fortschritte mit einem neuen Gerät endete, das von einem Maschinenbau-, Astronautik-, Biomedizin- oder Computeringenieur gebaut wurde, begannen sie in der Photonik.

Lichtteilchen neigen dazu, sich als Wellen zu bewegen, und Photonik ist die Wissenschaft, diese Wellen zu nutzen. Von hochmodernen Experimenten zur Quantenkommunikation mit verschränkten Photonen bis hin zu alltäglichen Technologien wie Smartphone-Bildschirmen, LiDAR und Glasfaser-Internet hat die Photonik unser Leben mehr verändert, als die meisten Menschen glauben. Und obwohl es dieses Gebiet schon seit über einem Jahrhundert gibt, dringen Forscher immer noch in neue Grenzen vor.

Eine dieser Grenzen wird als topologische Photonik bezeichnet. Es kombiniert traditionelle Photonik mit topologischer Physik – ein Gebiet, das zum Teil vom Nobelpreisträger und ehemaligen USC-Professor Duncan Haldane entwickelt 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. Durch die Kombination von topologischer Physik und Photonik können Forscher jetzt noch kreativere und nie zuvor gesehene Lichtstrukturen entwickeln.

Also, was ist so besonders an dieser neuen Struktur und wie wurde sie gebaut? Das Team verwendet zunächst topologische Physik, um ein Design zu entwickeln, das es untersuchen möchte. Anschließend 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, aus denen die gesamte Struktur besteht. Sobald das Zellendesign abgeschlossen ist, müssen sie entscheiden, wie sie zusammen angeordnet werden sollen, um die Struktur zu bilden. Schließlich wird das Design in einen Reinraum für die Nanofertigung gebracht, wo das physische Produkt – weniger als 0,25 Quadratmillimeter groß – gebaut wird. Was übrig bleibt, ist eine völlig einzigartige Struktur, die Licht beim Durchströmen in eine neuartige Form bringt. Diese neue Form hat wiederum neue Qualitäten, wie z. B. eine bessere Laserreinheit und eine höhere Effizienz.

So beeindruckend das auch ist, Khajavikhan und ihr Team entschieden sich, noch weiter zu gehen. Und hier kommt diese Kombination aus Physik und Photonik wirklich ins Spiel. Topologische Materialien können erstaunliche neue Transporteigenschaften aufweisen, aber sie können nicht einfach zwischen einem „An“- und „Aus“-Zustand umgeschaltet werden. Stellen Sie sich diese leichten Strukturen wie einen hochmodernen Rennwagen vor. Sie können sich schneller bewegen, härter drehen und mehr leisten als ihre Konkurrenten. Aber wenn Sie das Auto nicht mehr ausschalten können, nachdem Sie den Motor gestartet haben, ist es kein sehr praktisches Gerät.

Genau das konnte das USC-Team tun – dieses neue Licht steuern. Sie führten eine Technik aus photonischen Systemen ein, die als „optisches Pumpen“ bezeichnet wird, um den topologischen Eigenschaften der Struktur die Möglichkeit zu geben, sich ein- und auszuschalten. Die Fähigkeit, nicht nur die Form des Lichts zu steuern, sondern auch, wann und wie es durch ein System fließt, ist von größter Bedeutung.

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