Meilenstein in der Laserforschung erreicht

Was haben topologische Eigenschaften mit einem Laser zu tun? Eine Frage, die sich nicht ganz einfach beantworten lässt. Die Topologie beschäftigt sich mit Flächen und Körpern sowie deren räumlichen Beziehungen untereinander. Sie ist im Ursprung eine der mathematischen Disziplinen, gewinnt aber auch in der Physik seit einiger Zeit immer mehr an Bedeutung. Erst 2016 erhielten Forschende den Nobelpreis für die Anwendung topologischer Konzepte auf die Festkörperphysik. Es stellte sich zudem heraus, dass diese mathematische Disziplin durchaus die Erzeugung von Laserlicht beeinflussen kann.

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Was genau topologische Eigenschaften sind, erklärt die Forschungsgruppe anhand alltäglicher und bekannter  Konsumgüter: Betrachte man aus mathematischer Sicht einen Donut und ein Brötchen, seien dies zwei völlig verschiedene Objekte. Während der Donut ein Loch in der Mitte aufweise, fehle ein solches beim Brötchen. Bei dem Donut ließe sich ein Kreis, der rund um das Loch in der Mitte herumführe, nicht zu einem Punkt zusammenziehen. Dagegen könne man das mit einem beliebigen Kreis innerhalb des Brötchens aber schon.

Robustere Laser lassen sich mithilfe der Topologie entwickeln

Der Vorteil solch topologischer Eigenschaften liegt darin, dass sie sich auch bei Störungen recht stabil verhalten. Beispiel Donut: Sofern physikalische Eigenschaften nur mit der Tatsache in Verbindung stehen, dass jeder Donut nur ein Loch aufweist, sind andere Details, zum Beispiel der äußere Umfang, nicht mehr von Bedeutung. Auch in anderen Zuständen, wenn man den Donut beispielsweise quetsche, blieben Donut und Brötchen weiterhin verschiedene Objekte.

Die beiden Wissenschaftler Alexander Schumer und Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik an der Technischen Universität Wien (TU Wien), beschäftigen sich seit längerem mit topologischen Eigenschaften von Lichtwellen. Dafür nutzen sie vor allem Computersimulationen. Ihr Ziel: Die Erkenntnisse sollten auch in der Laserphysik zum Einsatz kommen. Dafür tauschte sich Schumer auch mit den Forschungsgruppen von Mercedeh Khajavikhan, Professor an der University of Southern California, Los Angeles, USA sowie Patrick LiKamWa und Demetrios Christodoulides, beide Professoren an der University of Central Florida, Orlando, USA, aus.

Robustere Laser: Energiewerte von entscheidender Bedeutung

Gemeinsam realisierten sie einen besonderen Laser – bestehend aus zwei dicht beieinander liegenden Lichtbahnen. Der Vorteil: Das Licht kann sich einerseits entlang der beiden Bahnen ausbreiten, und wird andererseits an den jeweiligen Enden reflektiert. Während sich das Licht bewegt, kann es nicht nur die Lichtbahn wechseln, sondern auch verstärkt oder abgeschwächt werden. Das gelinge mittels Energiezufuhr von außen. „So gelang es, einen Laser zu bauen, dessen Energien einer topologisch nicht trivialen Schleife folgen“, erklärt Alexander Schumer.

Die Forschenden betrachteten nicht den Weg, den das Licht im Laser zurücklegt, sondern auch die möglichen Energiewerte. Dabei zeigte sich, dass die Energie sich wie die Form einer Schleife bewege, und zwar um einen sogenannten „Ausnahmepunkt“ herum. Dieser sei sozusagen das Loch im Donut, aber im Energieraum. Die Schleifenform macht im Laser den entscheidenden Unterschied aus: „Die Energie des Lichts kehrt bei der Umrundung des Ausnahmepunkts nicht zu ihrem Ausgangspunkt zurück, sondern zu einem anderen Punkt – ähnlich wie eine Bahn auf einem Möbius-Band“, sagt Schumer.

Robustere Laser dank verstärktem Licht

Die beiden unterschiedlichen Endpunkte der Lichtbahn um den Ausnahmepunkt würden sichtbar, sobald man beide Seiten des Lasers leuchten ließe. Dabei sei zu erkennen, dass die zwei Lichtstrahlen, die der Laser in entgegengesetzte Richtung abgibt, einen sehr charakteristischen Unterschied zeigten: Sie würden sich auf einer Seite im Zentrum verstärken und auf der anderen Seite dagegen auslöschen. Dies sehen die Forschenden als direkte Konsequenz der topologischen Eigenschaften. Ihnen ist es damit gelungen, topologische Konzepte auch in der Laserphysik zu nutzen.

„Das könnte, ähnlich wie in der Festkörperphysik, zu wichtigen neuen Anwendungsmöglichkeiten führen. Man könnte damit möglicherweise besonders robuste, starke Laser bauen, in denen man über einen langen Pfad hinweg das Licht verstärken kann“, zieht Stefan Rotter, Professor am Institut für Theoretische Physik der TU Wien, Bilanz.

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