Topolektrische Schaltkreise

The image shows a "topolectric circuit" used to realize the topological states studied here.
Image: Lukas Ziegler

Neues Forschungsfeld startet durch …

Mit einer jungen experimentellen Methode lassen sich topologische Phänomene viel schneller, günstiger und flexibler untersuchen. Erst vor knapp zwei Jahren haben Forscher:innen des Exzellenzclusters ct.qmat „Topolektrische Schaltkreise“ realisiert und wichtige Pionierarbeiten zu deren Verständnis geleistet.

Nun ist dem Team um den Würzburger Physiker Ronny Thomale erneut ein Durchbruch gelungen: Die Beobachtung topologischer Effekte in einem Schaltkreis, der mittels dämpfender und verstärkender Elemente Energie mit seiner Umgebung austauschen kann. Die theoretische Grundlage hierfür könnte in Zukunft lichtgesteuerte Computer ermöglichen.

Würzburger und Dresdner Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters „ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien“ haben in einem gemeinsamen Forschungsprojekt erstmals bestimmte topologische Zustände von Materie in einem System realisiert, das nicht in sich selbst abgeschlossen ist – dem also Energie zugeführt und wieder entzogen werden kann. „Nicht-hermitesch“ heißt dieser Zustand in der Fachsprache.

Möglich wurde dies, da sie für das Experiment sogenannte „topolektrische Schaltkreise“ genutzt haben. Das Akronym aus „topologisch“ und „elektrisch“ zielt darauf ab, topologische Phänomene zu erforschen, indem die Eigenschaften atomar aufgebauter Festkörper in einem elektrischen Schaltkreis nachgebaut werden. Topologische Materie, ob anhand eines Festkörpers oder in synthetischer elektrischer Form, gilt als äußerst robust und kann potentiell im Rahmen zukünftiger Quantentechnologien eingesetzt werden.

Mit den neuen Forschungsergebnissen verbindet das Forschungsteam die Vision, die Erkenntnisse der topolektrischen Schaltkreise auf lichtbasierte Schaltelemente übertragen zu können. Die Ergebnisse seiner Arbeit wurden jetzt im Journal Physical Review Letters veröffentlicht.

Verlustfreie Leitung in offenen Systemen nachgewiesen

Zentrum der aktuellen Forschungsarbeit ist die Paritäts-Zeit-Symmetrie („PT-Symmetrie“) bestimmter offener Systeme, die im Besonderen in der Optik intensiv erforscht werden. Die Mitglieder des Forschungs-Clusters haben die PT-Symmetrie dafür genutzt, das Wechselspiel von elektrischen Energieverlusten einerseits und elektrischer Verstärkung andererseits so zu kompensieren, dass sich der eigentlich Energie-offene Aufbau ähnlich wie ein abgeschlossenes System („hermitesch“) verhält. Nur mit diesem Kniff haben sie es schließlich geschafft, topologische Phänomene – konkret topologische Defektzustände – auch in einem energieoffenen System zu realisieren („nicht-hermitesch“).

Paradigmenwechsel durch synthetische Quantenmaterie

„Mit diesem Forschungsprojekt ist uns ein Brückenschlag zu den Dresdner Kollegen gelungen. Mein Ziel war immer schon, die Forschungsbemühungen in der Optik an beiden Clusterstandorten zusammenzuführen. Ein erster Schritt in diese Richtung ist nun getan, was mich sehr freut. Für mich sind die ‚topolektrischen Schaltkreise‘ eine Art Simulator für Ideen, aus denen sich in Zukunft außergewöhnliche neue Anwendungen in der Optik ergeben können“, kommentiert der Leiter der Studie, Professor Ronny Thomale, das Ergebnis. Thomale hat an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) den Lehrstuhl für Theoretische Physik I inne. Die Tatsache, dass solch ein experimenteller Aufbau gerade mal 500 Euro kostet und dabei präziser messbar und einstellbar ist als viele andere topologische Plattformen, kommt nach Thomales Worten einem Paradigmenwechsel gleich.

Nachdem die Quantenphysikerinnen und -physiker um Thomale die PT-Symmetrie in einem eindimensionalen topolektrischen Aufbau aus 30 Reihenschaltungen realisiert haben, wollen sie einen Schritt weiter in Richtung Anwendung gehen. Hierfür werden sie zweidimensionale PT-symmetrische Stromkreise mit etwa 1.000 Elementen entwickeln und untersuchen. Irgendwann könnten damit lichtgesteuerte Computer ermöglicht werden. Diese wären wesentlich schneller und energieeffizienter als heutige elektronengesteuerte Modelle.

Beteiligte

An der Publikation sind neben Clustermitgliedern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und dem Leibnitz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Professor Alexander Szameit von der Universität Rostock beteiligt. Mit der Arbeitsgruppe von Szameit kooperiert das Exzellenzcluster ct.qmat auf dem Gebiet der topologischen Photonik.

Exzellenzcluster ct.qmat

Das Exzellenzcluster „ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien“ wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität (TU) Dresden getragen. Mehr als 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 33 Ländern und vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Gelingt es, diese besonderen Eigenschaften unter Alltagsbedingungen nutzbar zu machen, wird das die Basis für revolutionäre Quantenchips und neuartige technische Anwendungen sein. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Ronny Thomale, Lehrstuhl für Theoretische Physik I, Universität Würzburg, T +49 931 31-85712, rthomale@physik.uni-wuerzburg.de

Katja Lesser, Referentin für Öffentlichkeitsarbeit Exzellenzcluster ct.qmat, Tel: +49 351 463 33496, katja.lesser@tu-dresden.de

Originalpublikation:

Stegmaier et al., Topological defect engineering and PT-symmetry in non-Hermitian electrical circuits, Physical Review Letters 126, 215302 (2021). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.215302

http://www.uni-wuerzburg.de

https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/neues-forschungsfeld-startet-durch/

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