Nichtlineare photonische topologische Isolatoren

• Antragsteller: Professor Alexander Szameit, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388976608

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit der Entdeckung von topologischen Isolatoren (TIs) läutete die Materialwissenschaft eine neue Ära der Physik ein. Festkörper-TIs verhindern, dass Elektronen das Innere der Festkörper durchqueren, während sie gleichzeitig chirale Oberflächenströme unterstützen, die topologisch vor Streuung an Defekten und Unordnung geschützt sind. Kurz nach ihrer ersten Realisierung in Festkörpersystemen wurden topologische Konzepte auch in anderen physikalischen Bereichen umgesetzt, was zu experimentellen Nachweisen topologischer Dynamik in verschiedenen Plattformen, insbesondere in der Photonik, führte. Während die ursprünglichen Ideen für TIs im Kontext kondensierter Materie rein lineare Effekte waren, gab in letzter Zeit vermehrt Bemühungen, Topologie und Nichtlinearität zu verbinden. Eine solche Physik könnte topologische Mott-Isolatoren, wechselwirkungsinduzierte TIs wie den Kondo-Isolator und nicht-abelsche TIs ermöglichen. Vor dem Start dieses Projekts musste man sich jedoch mit verschiedenen experimentellen Einschränkungen der jeweiligen Implementierungen auseinandersetzen, die nur Experimente mit rein linearen Randzustandsdynamiken zuließen. Mit diesem Projekt betraten wir wissenschaftliches Neuland und erforschten theoretisch und experimentell die Physik der nichtlinearen (photonischen) TIs. Unsere Ergebnisse eröffneten eine neue Front in der TI-Forschung: Wir demonstrierten unter anderem den ersten durch Nichtlinearität verursachten TI, den ersten nichtlinearen TIs höherer Ordnung und zeigten die erste Beobachtung nichtlinearer Dynamik in nicht-Hermitischen topologischen Systemen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Demonstration of a two-dimensional PT-symmetric crystal. Nature Communications, 10(1).
  Kremer, Mark; Biesenthal, Tobias; Maczewsky, Lukas J.; Heinrich, Matthias; Thomale, Ronny & Szameit, Alexander
  
• Experimental Realization of PT-Symmetric Flat Bands. Physical Review Letters, 123(18).
  Biesenthal, Tobias; Kremer, Mark; Heinrich, Matthias & Szameit, Alexander
  
• A square-root topological insulator with non-quantized indices realized with photonic Aharonov-Bohm cages. Nature Communications, 11(1).
  Kremer, Mark; Petrides, Ioannis; Meyer, Eric; Heinrich, Matthias; Zilberberg, Oded & Szameit, Alexander
  
• Bragg solitons in topological Floquet insulators. Optics Letters, 45(8), 2271.
  Ivanov, S. K.; Kartashov, Y. V.; Maczewsky, L. J.; Szameit, A. & Konotop, V. V.
  
• Edge solitons in Lieb topological Floquet insulator. Optics Letters, 45(6), 1459.
  Ivanov, Sergey K.; Kartashov, Yaroslav V.; Maczewsky, Lukas J.; Szameit, Alexander & Konotop, Vladimir V.
  
• Fermionic time-reversal symmetry in a photonic topological insulator. Nature Materials, 19(8), 855-860.
  Maczewsky, Lukas J.; Höckendorf, Bastian; Kremer, Mark; Biesenthal, Tobias; Heinrich, Matthias; Alvermann, Andreas; Fehske, Holger & Szameit, Alexander
  
• Nonlinearity-induced photonic topological insulator. Science, 370(6517), 701-704.
  Maczewsky, Lukas J.; Heinrich, Matthias; Kremer, Mark; Ivanov, Sergey K.; Ehrhardt, Max; Martinez, Franklin; Kartashov, Yaroslav V.; Konotop, Vladimir V.; Torner, Lluis; Bauer, Dieter & Szameit, Alexander
  
• Vector Topological Edge Solitons in Floquet Insulators. ACS Photonics, 7(3), 735-745.
  Ivanov, Sergey K.; Kartashov, Yaroslav V.; Szameit, Alexander; Torner, Lluis & Konotop, Vladimir V.
  
• Floquet Edge Multicolor Solitons. Laser & Photonics Reviews, 16(3).
  Ivanov, Sergey K.; Kartashov, Yaroslav V.; Szameit, Alexander; Torner, Lluis & Konotop, Vladimir V.
  
• Nonlinear second-order photonic topological insulators. Nature Physics, 17(9), 995-1000.
  Kirsch, Marco S.; Zhang, Yiqi; Kremer, Mark; Maczewsky, Lukas J.; Ivanov, Sergey K.; Kartashov, Yaroslav V.; Torner, Lluis; Bauer, Dieter; Szameit, Alexander & Heinrich, Matthias
  
• Nonlinear tuning of PT symmetry and non-Hermitian topological states. Science, 372(6537), 72-76.
  Xia, Shiqi; Kaltsas, Dimitrios; Song, Daohong; Komis, Ioannis; Xu, Jingjun; Szameit, Alexander; Buljan, Hrvoje; Makris, Konstantinos G. & Chen, Zhigang
  
• Topological dipole Floquet solitons. Physical Review A, 103(5).
  Ivanov, Sergey K.; Kartashov, Yaroslav V.; Heinrich, Matthias; Szameit, Alexander; Torner, Lluis & Konotop, Vladimir V.