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Bahnbrechender Fortschritt in der Quantenphysik: Würzburger Forschenden des Exzellenzclusters ctd.qmat ist es gelungen, den topologischen Quanten-Hall- & Quanten-Spin-Hall-Effekt durch gezieltes Materialdesign auf ein hybrides Licht-Materie-System zu übertragen. Das Team um Prof. Sebastian Klembt erzeugte das optische Quantenphänomen mit Polaritonen – hybriden Licht-Materie-Teilchen. Dieser Effekt ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur optischen Informationsverarbeitung. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
Vom Quanten-Hall- & Quanten-Spin-Hall-Effekt zum Licht
Bereits 1980 wies der Würzburger Nobelpreisträger Prof. Klaus von Klitzing mit dem Quanten-Hall-Effekt den ersten topologischen Stromtransport nach. 2006 gelang Prof. Laurens Mohlenkamp an der Universität Würzburg der weltweit erste experimentelle Nachweis des Quanten-Spin-Hall-Effekts als intrinsische Materialeigenschaft eines sogenannten topologischen Isolators. Diese beiden topologischen Phänomene schützen den Transport von Elektronen vor Streuung.
Nun hat Sebastian Klembt vom Lehrstuhl für Technische Physik, Gründungsmitglied des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter und seit Kurzem Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik I an der Universität Würzburg, gemeinsam mit einem internationalen Team diese Phänomene auf ein hybrides Quantenmaterial übertragen. Hierfür nutzten die Forschenden Polaritonen – eine Mischung aus Licht (Photonen) und Materie (Exzitonen). Sie entstehen in sogenannten Mikrosäulen, winzigen Halbleiterstrukturen, in denen Licht und Materie stark miteinander wechselwirken.
Die Experimente wurden am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg durchgeführt, verantwortet von Simon Widmann. An der Theoriebildung waren neben Prof. Ronny Thomale, ebenfalls Gründungsmitglied von ctd.qmat und Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik I, auch Forschende der Nanyang Technological University Singapur beteiligt.
Der Durchbruch: Pseudo-Spin durch gezieltes Materialdesign
„Unsere Mikrostrukturen sind deutlich kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Diese Struktur haben wir im Reinraumlabor gezielt so entworfen, dass unser Laserlicht besondere Eigenschaften bekommt. Der topologische Lichttransport, den wir nachweisen konnten, und der dahinterstehende Effekt eröffnen neue Möglichkeiten für topologische Polariton-Laser und optische Informationsverarbeitung“, erklärt Sebastian Klembt.
Die Würzburger Forschenden haben das Material Galliumarsenid (GaAs) so aufgebaut, dass elliptisch geformte Mikrosäulen in einer Kette angeordnet sind. Sobald Laserlicht auf die Probe trifft, interagieren die Lichtteilchen (Photonen) dort mit den Materieteilchen (Exzitonen). Spiegelschichten in den Mikrosäulen sorgen dafür, dass die neuen hybriden Teilchen – die Polaritonen – in den Mikrosäulen bleiben und sich dort wie Elektronen beim topologischen Stromtransport verhalten: "Die elliptische Form der Mikrosäulen und die Winkel, mit denen die Mikrosäulen miteinander gekoppelt sind, erzeugen ein sogenanntes künstliches Eichfeld. Ähnlich einem Magnetfeld, das auf Elektronen wirkt, bestimmt dieses Eichfeld das Verhalten unserer Polaritonen“, ergänzt Klembt.
Im hybriden Materialsystem der Würzburger Forschenden kann das Licht durch die besondere Geometrie links- oder rechtszirkular polarisiert sein, das heißt, seine Schwingung dreht sich im Uhrzeigersinn oder dagegen. Diese beiden Polarisationen bewegen sich entlang entgegengesetzter Pfade – das ist die optische Analogie zum Quanten-Spin-Hall-Effekt. „Die zirkulare Polarisation des Lichts funktioniert als Pseudo-Spin“, so Klembt.
Hybride Licht-Materie-Teilchen als Schlüssel zu neuen Technologien
Die in Nature Communications publizierten Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten zum Beispiel für topologische Polariton-Laser, Spin-basierte Transistoren oder optische Informationsverarbeitung. Die Polarisation des Lichts kann hierbei auch zur Informationsübertragung genutzt werden.
Das Exzellenzcluster ctd.qmat
Das Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität Dresden erforscht und entwickelt neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Etwa 300 Wissenschaftler:innen aus mehr als 30 Ländern entwerfen an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Materialwissenschaften die Grundlagen für die Technologien der Zukunft. 2026 ist das Cluster in die 2. Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet – mit erweitertem Fokus auf die Dynamik von Quantenprozessen.
Prof. Sebastian Klembt
Lehrstuhl für Experimentelle Physik I
Universität Würzburg
Email: sebastian.klembt@uni-wuerzburg.de
Tel: +49 (0)931 3186099
Artificial gauge fields and dimensions in a polariton hofstadter ladder. Simon Widmann, Jonas Bellmann, Johannes Düreth, Siddhartha Dam, Christian G. Mayer, Philipp Gagel, Simon Betzold, Monika Emmerling, Subhaskar Mandal, Rimi Banerjee, Timothy C. H. Liew, Ronny Thomale, Sven Höfling & Sebastian Klembt, Nature Communications 17, 1586 (2026), DOI: 10.1038/s41467-026-68530-0.
Topologie im Licht
Source: Jochen Thamm
Copyright: © think-design | Jochen Thamm
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students
Energy, Information technology, Materials sciences, Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Topologie im Licht
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