Lichtpakete im Kreisverkehr

Physik-Doktorand Martin Wimmer von der Uni Jena kontrolliert mit einem Fasermikroskop die Qualität von Fasersteckverbindungen im dahinter zu sehenden Versuchsaufbau zur Messung der Berry-Krümmung. Foto: Anne Günther/FSU

Es ist ein Konzept, das sich schon auf vielen Waldspaziergängen bewährt hat: Wenn ich an jeder Abzweigung immer in die gleiche Richtung abbiege, komme ich – über kurz oder lang – wieder an meinen Ausgangspunkt zurück.

Auch wer sich durch ein Labyrinth tastet, wird mit dieser Methode irgendwann zum Ausgang finden. „Physikalisch betrachtet, vollzieht der Spaziergänger oder der Besucher des Labyrinths einen Kreisprozess“, erläutert Prof. Dr. Ulf Peschel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Lange Zeit ging die Wissenschaft davon aus, dass ein System, das einen solchen geschlossenen Zyklus durchläuft, wieder vollständig in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Doch anders als im Falle des Spaziergängers, so erläutert Physiker Peschel, stimmt das für physikalische Systeme nicht immer.

„Heute wissen wir, dass bei Kreis- oder Pendelbewegungen eine sogenannte geometrische Phase akkumuliert werden kann, ein Effekt, der vor allem in der Quantenmechanik wichtig ist“, sagt Prof. Peschel. Diese nach ihrem Entdecker Michael Berry auch Berry-Phase genannte Größe, beschreibt eine Phasenverschiebung der Wellenfunktion des Systems und kann z. B. die Ursache von Interferenzphänomenen sein. Aber auch der Elektronentransport in Halbleiterfilmen und Graphen wird durch eine etwas abstraktere Systemgröße – die Berry-Krümmung – stark beeinflusst.

Obwohl geometrische Phasen in vielen physikalischen Prozessen eine große Rolle spielen, konnte die Berry-Krümmung bisher nur in wenigen Fällen gezielt charakterisiert werden. Einem Forscherteam der Universitäten Jena, Erlangen und Trento (Italien) ist es nun jedoch gelungen, ein Messverfahren zur Bestimmung der Berry-Krümmung in optischen Systemen zu entwickeln. In der aktuellen Ausgabe der renommierten Zeitschrift „Nature Physics“ stellen die Physiker um Prof. Peschel ihre Ergebnisse vor (DOI:10.1038/NPHYS4050).

Für ihre Untersuchungen haben sie Lichtpakete immer wieder durch zwei gekoppelte Glasfaserschleifen geschickt: Die eine Schleife war exakt 1.000 Meter lang, die andere 7 Meter länger. „Nach 200 Umläufen, also rund 200 Kilometern Weg, haben wir die Ankunftszeit der Lichtpulse gemessen“, so Doktorand Martin Wimmer, der Erstautor der Studie.

Wurde zusätzlich der Brechungsindex in den Schleifen zyklisch ein klein wenig moduliert und damit eine Berry-Krümmung im Gesamtsystem induziert, stellten die Forscher überrascht fest, dass Lichtpulse mal die kürzere oder mal die längere Schleife bevorzugten und deshalb nicht zur eigentlichen erwarteten Zeit, sondern etwas früher oder später eintrafen. Die präzise Vermessung der Ankunftszeiten der Lichtpulse erlaubte so die erstmalige Vermessung der Berry-Krümmung in einem optischen System.

Da das Experiment einem Telekommunikationsnetzwerk sehr ähnlich ist, fragen sich die Physiker der Uni Jena nun, ob auch dort solche Effekte eine Rolle spielen. „Immerhin werden Daten heute fast ausschließlich als optische Pulse durch Glasfasern übertragen, wobei die wesentliche Information in der Ankunftszeit der Pulse kodiert ist“, so Peschel.

„Wir fragen uns, was passiert, wenn statt der, wie von uns bisher verwendeten, schwachen Pulse, Wellenpakete mit sehr hohen Spitzenleistungen propagieren. Außerdem spielen in der Telekommunikation Verluste und Verstärkung eine große Rolle, Effekte, die wir nun im Zusammenhang mit der Berry-Krümmung experimentell untersuchen wollen“, kündigt Prof. Peschel an.

Original-Publikation:
Wimmer M et al. Experimental measurement of the Berry curvature from anomalous transport, NATURE PHYSICS (2017), DOI:10.1038/NPHYS4050

Kontakt:
Prof. Dr. Ulf Peschel
Institut für Festkörpertheorie und -optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 4, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947170
E-Mail: ulf.peschel[at]uni-jena.de

http://www.uni-jena.de

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Dr. Ute Schönfelder idw - Informationsdienst Wissenschaft

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