Ein Trichter für Licht

Überblick

Prof. Ronny Thomale hat den Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik (TP1) an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg inne. Hauptziel seiner Forschungen ist die Entdeckung und theoretische Beschreibung von neuen Quantenzuständen der Materie. Die Entwicklung einer Theorie für ein neues physikalisches Phänomen, die wiederum neue Experimente anregt, die nach diesem Effekt suchen, sei einer der größten Momente in der Praxis eines theoretischen Physikers. Im Idealfall würde ein solcher Effekt darüber hinaus auch noch ungeahntes technologisches Potenzial freisetzen. All dies ist Prof. Thomale jetzt bei einem Forschungsprojekt gelungen, das er gemeinsam mit der AG Experimentelle Festkörperoptik um Prof. Alexander Szameit von der Universität Rostock durchgeführt hat und dessen Ergebnisse jetzt in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden.

Punktlandung in einem zehn Kilometer langen Kabel

„Uns ist es gelungen, einen Effekt zu realisieren, der den Namen ‚Lichttrichter‘ trägt“, erklärt Thomale. Lichtsignale in einem zehn Kilometer langen Lichtleiterkabel werden durch diesen neuartigen Effekt an einem spezifischen Punkt gesammelt beziehungsweise fokussiert. Der physikalische Mechanismus, der diesem Phänomen zugrunde liegt, ist der sogenannte „dissipative Skin-Effekt“, zu dessen theoretischem Verständnis Thomale 2019 grundlegende Arbeiten vorgelegt hat. Hierbei hat der Physiker eine Beschreibungsform entwickelt, welche den dissipativen Skin-Effekt in den Rahmen topologischer Zustände von Materie einordnet. Topologische Materie hat sich zu einem der weltweit aktivsten Forschungsfelder der Physik entwickelt. In Würzburg hat die Halbleiterforschung von Gottfried Landwehr und Klaus von Klitzing (Nobelpreisträger 1985) Pionierarbeit geleistet, die im letzten Jahrzehnt von Laurens W. Molenkamp fortgesetzt wurde.

Forschung an der Topologie der Natur

Der Begriff Topologie geht zurück auf die altgriechischen Wörter für „Lehre“ und „Ort“. Die Topologie wurde als vorwiegend mathematische Disziplin begründet und hat inzwischen eine weite Verbreitung in der Physik gefunden, einschließlich der Optik. Zusammen mit weiteren Repräsentanten synthetischer Materie formen diese das große aufstrebende Gebiet der Metamaterialien, von dem sich die Forscher:innen Durchbrüche für unzählige technische Anwendungen erhoffen.

Optische Detektoren mit hoher Sensibilität

„Die Lichtsignalakkumulation durch den Lichttrichter kann die Sensibilität optischer Detektoren enorm verbessern und damit neue optische Anwendungen ermöglichen“, so Thomale. Der Lichttrichter sei jedoch nur der Anfang. „Schon jetzt haben wir eine Vielzahl neuer Ideen, wie wir topologische Zustände in der Optik umsetzen und technologisch nutzbar machen können.“ Das Rostocker Forschungsteam um Alexander Szameit ist fest in ct.qmat eingebunden. So betreuen Thomale und Szameit gemeinsam Doktoranden, die von ct.qmat finanzielle Unterstützung erhalten. „Bereits kurze Zeit nach der Gründung von ct.qmat trägt diese Forschungsinitiative somit bereits große Früchte und demonstriert eindrücklich, welche Synergie zwischen Forscher:innen in Deutschland erzeugt werden kann“, lautet denn auch Thomales Fazit.