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Photonik: Schalten mit Licht

Beim Verkleinern elektronischer Bauteile stoßen Forscher mittlerweile an unüberwindbare Grenzen. Einen Ausweg könnten Systeme bieten, die Signale durch Licht übertragen. Der junge Bereich der topolo­gischen Photonik soll schon bald derartige Schaltungen ermöglichen.
Triangulierung

In den 1970er Jahren begann das Informationszeitalter: Seither verarbeiten und verbreiten Menschen immer größere Datenmengen, sei es in Form von Texten, Bildern oder Videos. Während die Telekommunikationsnetzwerke 1986 weltweit jährlich etwa 0,3 Exabits (1018 Bits) an Daten austauschten, waren es 2014 schon mehrere 100 Exabits – und die Werte wachsen weiterhin mit rasanter Geschwindigkeit an.

Inzwischen stoßen Informationssysteme jedoch an ihre Grenzen. Deshalb suchen Forscher fieberhaft nach neuen Technologien, mit denen sich der wachsende Bedarf zufrieden stellen ließe. In Zukunft könnten optische Systeme das Problem lösen, allerdings sind diese bisher nicht leistungsfähig genug. Deshalb setzen einige Physiker ihre Hoffnungen in die topologische Photonik, in der abstrakte mathematische Konzepte dabei helfen, viel versprechende Technologien zu entwickeln.

So ausgeklügelt heutige Informationssysteme erscheinen, basieren sie doch größtenteils auf zwei sehr unterschiedlichen Erfindungen des 19. Jahrhunderts: dem Radio, das der Italiener Guglielmo Marconi 1895 konstruierte, und dem 1840 vom US-Amerikaner Samuel Morse entwickelten Telegrafen. 

Das Radio ermöglichte es erstmals, Informationen durch elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit zu verbreiten. Dank zahlreicher technischer Fortschritte ließen sich Antennen immer weiter verkleinern; inzwischen findet man sie in etlichen technischen Geräten wie Mobiltelefonen. Allerdings büßen die winzigen Antennen bei hohen Übertragungsraten ihre Reichweite ein: Möchte man etwa 100 Megabit pro Sekunde verbreiten, ist nach wenigen hundert Metern Schluss.

Um große Datenmengen schnell auszutauschen, nutzen Forscher daher einen anderen Ansatz, der auf dem Telegrafen basiert …

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  • Quellen

Bahari, B. et al.: Nonreciprocal lasing in topological cavities of arbitrary geometries. Science 358, 2017

Bandres, M. A. et al.: Topological insulator laser: experiments. Science 359, 2018

Haldane, F. D. M.: Model for a quantum Hall effect without Landau levels. Physical Review Letters 61, 1988

Nalitov, A. V. et al.: Polariton Z topological insulator. Physical Review Letters 114, 2015

Solnyshkov, D. et al.: Kibble-Zurek mechanism in topologically nontrivial zigzag chains of polariton micropillars. Physical Review Letters 116, 2016

St-Jean, P. et al.: Lasing in topological edge states of a one-­dimensional lattice. Nature Photonics 11, 2017