Professor Ronny Thomale bekleedt een leerstoel voor theoretische fysica van de gecondenseerde materie, de TP1, aan de Julius-Maximilian Universiteit van Würzburg. De ontdekking en theoretische beschrijving van nieuwe kwantumtoestanden van materie is een hoofddoel van zijn onderzoek. "Het ontwikkelen van een theorie voor een nieuw natuurkundig fenomeen dat vervolgens inspireert tot nieuwe experimenten die op zoek zijn naar dit effect, is een van de grootste momenten in de praktijk van een theoretisch natuurkundige, "zegt hij. In een ideaal geval, een dergelijk effect zou zelfs onverwacht technologisch potentieel ontsluiten.

Dit alles is samengekomen met een recent project dat Thomale heeft uitgevoerd samen met de optische experimentele groep van professor Alexander Szameit aan de Universiteit van Rostock, waarvan de resultaten nu zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Spot landing in een optische vezel van 10 kilometer lang

"We zijn erin geslaagd een effect te realiseren dat we een 'light funnel' noemen, " legt Thomale uit. Door dit nieuwe effect, licht in een optische vezel van 10 kilometer lang kan worden verzameld op een specifiek punt naar keuze in de draad. Het mechanisme dat aan dit fenomeen ten grondslag ligt, is het zogenaamde 'niet-Hermitiaanse huideffect' waaraan Thomale in 2019 relevant theoretisch werk heeft bijgedragen. Thomale's werk heeft het mogelijk gemaakt om het skin-effect te begrijpen in het kader dat wordt bepaald door topologische toestanden van materie.

Topologische materie heeft zich ontwikkeld tot een van de meest levendige onderzoeksgebieden van de hedendaagse natuurkunde. In Würzburg, het veld is gepionierd door halfgeleideronderzoek door Gottfried Landwehr en Klaus von Klitzing (Nobelprijswinnaar 1985), die in het afgelopen decennium werd voortgezet door Laurens W. Molenkamp.

Onderzoek naar de topologie van de natuur

De term topologie is afkomstig van de oude Griekse woorden voor 'studie' en 'plaats'. Opgericht als een overwegend wiskundige discipline, het heeft zich nu breed verspreid in de natuurkunde, inclusief optiek. Samen met andere platforms van synthetische materie, ze vormen de bredere richting genaamd topologische metamaterialen waarvan de onderzoekers fundamentele toekomstige technologische innovatie verwachten.

Hier, natuurkundigen gebruiken niet uitsluitend materialen en chemische samenstellingen die door de natuur worden gegeven. Liever, ze ontwikkelen nieuwe synthetische kristallen die zijn samengesteld uit op maat gemaakte kunstmatige vrijheidsgraden. Wat betreft de lichttrechter ontwikkeld door Thomale en Szameit, het voorkeursplatform is een optische vezel die licht langs de vezel geleidt, maar tegelijkertijd gedetailleerde, ruimtelijk opgeloste manipulatie mogelijk maakt.

Optische detectoren met hoge gevoeligheid

"De lichtaccumulatie die door de lichttrechter wordt bereikt, zou de basis kunnen zijn voor het verbeteren van de gevoeligheid van optische detectoren en zo ongekende optische toepassingen mogelijk maken, " legt Thomale uit. Volgens Thomale, echter, de lichttrechter is slechts het begin. "In dit stadium werken we al aan veel nieuwe ideeën op het gebied van topologische fotonica en hun potentiële technologische toepassing."

Naar Thomale's overtuiging, Würzburg biedt een uitstekende omgeving om deze onderzoeksrichting te volgen. Dit heeft zich recentelijk gemanifesteerd in het excellentiecluster 'ct.qmat' dat gezamenlijk is toegekend aan de JMU Würzburg en TU Dresden. Een belangrijke pijler van het onderzoek van 'ct.qmat' draait om synthetische topologische materie, wat sterk wordt ondersteund door het onderzoek gedaan bij Thomale's leerstoel TP1 in Würzburg.

Het onderzoeksteam in Rostock rond Alexander Szameit is constitutief geïntegreerd in 'ct.qmat.' Bijvoorbeeld, Thomale en Szameit begeleiden gezamenlijk Ph.D. studenten financieel ondersteund via 'ct.qmat.' "Al een paar maanden na de oprichting, de synergieën van ct.qmat werpen hun vruchten af, en de stimulerende impact van een dergelijk excellentiecluster op het allernieuwste onderzoek in Duitsland aantonen, ’, besluit Thomale.