Lichtausbreitung in der nicht-hermitischen Photonik

Ziel des vom Lise-Meitner-Programm des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) geförderten Forschungsprojekts CLIP ist die Entwicklung neuartiger theoretischer Ideen zur Steuerung von Licht in mikro- und nanoskopischen Strukturen mit aktiven Elementen, die Photonen erzeugen oder absorbieren. Die Eigenschaften dieser aktiven Strukturen können im Raum moduliert werden, um die Ausbreitung von Licht auf neue Weise zu ermöglichen wodurch sogar die vollständige Beseitigung von Streuung und Interferenz innerhalb hochgradig unregelmäßiger ungeordneter Strukturen bewerkstelligt werden kann. Die existierenden Strategien zur Manipulation von Licht mit so genannten "Metamaterialien", das sind künstlich geschaffene Strukturen mit veränderten optischen Eigenschaften, basieren meist auf der Steuerung von Licht um Objekte herum und beruhen auf den Ideen der Transformationsoptik, die die Ausbreitung von Lichtstrahlen mit den optischen Eigenschaften von Materialien verbindet. Diese Strategien erfordern jedoch die Verwendung von Materialien, die schwer herzustellen sind, und befassen sich im Allgemeinen auch mit den Eigenschaften des Lichts im Fernfeld des Objekts, anstatt in seinem Inneren. Ein Vorteil unseres Ansatzes ist, dass er nur die Verwendung von dielektrischen Materialien erfordert, die in der Natur häufig vorkommen und die dann durch Hinzufügen von aktiven Elementen modifiziert werden. Ein weiterer attraktiver Aspekt unseres theoretischen Modelle, die in diesem Projekt untersucht werden, ist die Tatsache, dass die Eigenschaften des Lichts nicht nur außerhalb, sondern auch innerhalb des streuenden Mediums kontrolliert werden können - ein Aspekt, der für Anwendungen in der Lichtfokussierung, -erzeugung und -abbildung besonders interessant ist. Ein besonderer Schwerpunkt unseres Projekts wird es sein, eine Brücke zwischen den seit langem etablierten Methoden der Transformationsoptik und dem neu gewonnenen Verständnis von Systemen mit räumlich modulierten aktiven Elementen zu schlagen. Auf diese Weise wollen wir ein neues Verständnis der Lichtausbreitung in solchen neuartigen Materialien schaffen, das auf der Modifikation der Raumgeometrie durch Hinzufügen von Verstärkungs- und Verlustelementen beruht - eine Eigenschaft, die sicherlich auf breites Interesse im Bereich der Optik stoßen dürfte. Zusätzlich zu diesen rein theoretischen Problemen zielt das Projekt auch auf die experimentelle Umsetzung unserer Vorschläge in zwei verschiedenen Plattformen ab: in der Zeit gemultiplexte photonische Gitter, die auf der Pulsausbreitung in optischen Fasern basieren, und Laser-induzierte Wellenleiter in heißen Atomgasen. Beide Systeme bieten eine große Flexibilität und Kontrolle, so dass sie in naher Zukunft als zuverlässige Plattformen für überzeugende Demonstrationen unserer theoretischen Konzepte dienen können sollten.

1. Zusammenfassung von https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.163602: "In dieser Arbeit zeigen wir mit Hilfe einer vollständigen Quantenbeschreibung theoretisch und numerisch, dass die spontane Erzeugung signifikanter Mehrteilchenverschränkung in atomaren Impulszuständen für Hamiltonianer mit kontinuierlicher Translationssymmetrie im Transienten auftreten kann. Es wurden zwei theoretische Modelle untersucht, von denen eines auf der lichtvermittelten Wechselwirkung von ultrakalten Atomen in einem Ringresonator und das andere auf direkten Kollisionen zwischen ultrakalten Atomen in einem oszillierenden Magnetfeld beruht. Numerische Berechnungen zeigen, dass diese Methode potenziell sehr effizient sein könnte, um verschränkte Quantenatome selbst in so genannten "schlechten Resonatoren" zu erzeugen. Die Entdeckung öffnet die Tür zu vielen spannenden Anwendungen in der Quantenmetrologie, bei Simulationen und im Computerwesen, nicht nur unter Verwendung von Atomkondensaten, sondern auch von anderen Arten von Dipolteilchen-Ensembles." 2. Zusammenfassung von https://doi.org/10.1126/sciadv.abl7412: "Die Ausbreitung durch ein inhomogenes Medium, wie z. B. Nebel, kann die Form eines Lichtstrahls aufgrund komplexer Streuprozesse stark beeinträchtigen. In diesem Artikel haben wir den Rahmen der Wellen mit konstanter Intensität auf ein neuartiges System ausgedehnt - ein synthetisches photonisches Gitter, das durch die Interferenz von Lichtimpulsen gebildet wird, die sich durch eine Faser ausbreiten, um die durch die Streuung verursachte Verschlechterung des Strahls zu beseitigen. Der Mechanismus bewahrt die Intensitätsverteilung des einfallenden Strahls, indem er die destruktive Interferenz durch Verstärkung und die konstruktive Interferenz durch Verlust durch ein neuartiges nicht-hermitisches Gitter abschwächt. Dieses Experiment stellt eine erste Demonstration der formkonservierten Ausbreitung und induzierten Transparenz für elektromagnetische Wellen auf einem diskreten nicht-hermiteschen Gitter dar und ist ein Schritt in Richtung möglicher realer Realisierungen von transparenten Medien auf der Grundlage von Gewinn und Verlust." 3. Zusammenfassung von https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.183901: "Die Transformationsoptik ist ein faszinierender Rahmen, der die Geometrie des Raums mit der Ausbreitung von Licht durch ein Medium verbindet. Es ist allgemein bekannt, dass Materialien mit isotropem optischem Verhalten durch konforme Transformationen des freien Raums erzeugt werden können, bei denen die Winkel zwischen den Linien lokal erhalten bleiben. In unserem jüngsten Artikel haben wir gezeigt, dass mit gewissen Einschränkungen auch nicht-konforme Transformationen verwendet werden können, um die Lichtausbreitung in isotropen Materialien zu modellieren. Die Bedingung ist, dass das durch die Transformation erzeugte Medium im Gegensatz zum vorherigen Fall an die Lösung des elektrischen Feldes im freien Raum gebunden ist. Außerdem führt die Nichtkonformität im Gegensatz zum vorherigen Fall nun zu einer Modulation des Imaginärteils der Brechungsindexverteilung, d. h. zu Gewinn und Verlust. Wir haben diese Erkenntnisse genutzt, um eine zweidimensionale unidirektionale Tarnung mit einem isotropen nicht-hermitischen dielektrischen Material zu entwerfen, die nun auch für Lichtpulse funktioniert, im Gegensatz zu ähnlichen Tarnungen, die mit konformen Transformationen erzeugt werden."