Professor Ronny Thomale innehar en lärostol för teoretisk kondenserad materiens fysik, TP1, vid Julius-Maximilian University of Würzburg. Upptäckten och den teoretiska beskrivningen av nya kvanttillstånd i materien är ett huvudmål för hans forskning. "Att utveckla en teori för ett nytt fysiskt fenomen som sedan inspirerar till nya experiment som söker efter denna effekt är ett av de största ögonblicken i en teoretisk fysikers praktik, " säger han. I ett idealiskt fall, en sådan effekt skulle till och med låsa upp oväntad teknisk potential.

Allt detta har kommit tillsammans med ett nyligen genomfört projekt som Thomale drev tillsammans med den optiska experimentgruppen av professor Alexander Szameit vid universitetet i Rostock, vars resultat nu har publicerats i Vetenskap .

Punktlandning i en optisk fiber 10 kilometer lång

"Vi har lyckats realisera en effekt som vi kallar en "ljustratt", " förklarar Thomale. Genom denna nya effekt, ljus i en optisk fiber som är 10 kilometer lång kan ackumuleras vid en specifik valfri punkt i tråden. Mekanismen bakom detta fenomen är den så kallade 'icke-hermitiska hudeffekten' till vilken Thomale bidrog med relevant teoretiskt arbete under 2019. Specifikt, Thomales arbete har möjliggjort förståelsen av hudeffekten inom ramen för materiens topologiska tillstånd.

Topologisk materia har utvecklats till ett av de mest levande forskningsområdena inom samtida fysik. I Würzburg, området har varit banbrytande av halvledarforskning av Gottfried Landwehr och Klaus von Klitzing (Nobelpristagare 1985), som under det senaste decenniet fortsattes av Laurens W. Molenkamp.

Forskning om naturens topologi

Termen topologi kommer från de gamla grekiska orden för 'studie' och 'plats'. Grundades som en övervägande matematisk disciplin, det har nu spridit sig brett in i fysiken, inklusive optik. Tillsammans med andra plattformar för syntetiskt material, de bildar den bredare riktning som kallas topologiska metamaterial som forskarna förväntar sig grundläggande framtida teknisk innovation av.

Här, fysiker tar inte enbart till material och kemiska sammansättningar som ges av naturen. Snarare, de utvecklar nya syntetiska kristaller sammansatta av skräddarsydda artificiella frihetsgrader. När det gäller ljustratten utvecklad av Thomale och Szameit, Den valda plattformen är en optisk fiber som leder ljus längs fibern men som samtidigt möjliggör detaljerad spatialt upplöst manipulation.

Optiska detektorer med hög känslighet

"Ljusackumuleringen som uppnås av ljustratten kan vara grunden för att förbättra känsligheten hos optiska detektorer och därmed möjliggöra oöverträffade optiska tillämpningar, " förklarar Thomale. Enligt Thomale, dock, ljustratten är bara början. "Redan i detta skede arbetar vi med många nya idéer inom topologisk fotonik och deras potentiella tekniska tillämpning."

Till Thomales övertygelse, Würzburg erbjuder en utmärkt miljö för att driva denna forskningsriktning. Detta har nyligen visat sig i spetskompetensklustret 'ct.qmat' som beviljades gemensamt till JMU Würzburg och TU Dresden. En viktig pelare i forskningen om "ct.qmat" är centrerad kring syntetisk topologisk materia, vilket får starkt stöd av den forskning som gjorts vid Thomales lärostol TP1 i Würzburg.

Forskargruppen i Rostock kring Alexander Szameit är konstitutivt integrerad i 'ct.qmat.' Till exempel, Thomale och Szameit handleder tillsammans Ph.D. studenter som får ekonomiskt stöd genom 'ct.qmat.' "Redan några månader efter grundandet, synergierna som skapas av ct.qmat lönar sig, och visa den stimulerande effekten av ett sådant spetsforskningskluster på spetsforskning i Tyskland, avslutar Thomale.