Neue Ergebnisse zu Transportprozessen auf der Nano-Skala

Der zuverlässige und kontrollierte Transport von Teilchen, elektrischer Ladung oder Informationen gilt als eine der größten Herausforderungen der modernen Nanotechnologie – insbesondere für zukünftige Anwendungen wie Quantencomputer. Forschende der RPTU haben nun einen theoretischen Beitrag geleistet, um besser zu verstehen, wie ein besonders stabiler Transportmechanismus funktioniert.

Topologische Pumpen sind Systeme, in denen Teilchen nicht zufällig, sondern in genau festgelegten Schritten transportiert werden. Dieser Transport ist außergewöhnlich robust, das heißt er funktioniert selbst dann zuverlässig, wenn äußere Störungen auftreten. Der Grund dafür liegt in grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Systems, die sich nicht leicht verändern lassen. Genau diese Stabilität macht topologische Pumpen für technologische Anwendungen so interessant.

Im Mittelpunkt der neuen Arbeit stehen sogenannte Solitonen. Dabei handelt es sich um stabile Verbünde mehrerer Teilchen, die sich gegenseitig anziehen und sich gemeinsam wie ein einzelnes Teilchen bewegen. Es können sehr intensive Lichtpulse durch regelmäßig angeordnete Wellenleiter geschickt werden, die man sich ähnlich wie viele nebeneinanderliegende Glasfasern vorstellen kann. Abhängig von der Lichtintensität verändern sich die Eigenschaften dieser Wellenleiter, sodass sich lichtartige Solitonen bilden, deren Bewegung genau untersucht werden kann.

In vorangegangenen Experimenten – an denen auch RPTU-Juniorprofessorin Christina Jörg während ihrer Post-Doc-Zeit an der Pennsylvania State University beteiligt war – wurde ein überraschendes Phänomen beobachtet: Der Transport der Solitonen erfolgt nicht kontinuierlich, sondern in exakt definierten Mengen. Pro vollständigem Zyklus der Pumpe bewegt sich das Soliton immer um einen festen Betrag weiter, der durch ganze oder bestimmte gebrochene Zahlen festgelegt ist. Ändert man die Stärke der Wechselwirkungen im System, springt der Transport plötzlich von einer solchen Bewegung zu einer anderen. Warum diese quantisierten und dennoch sehr stabilen Bewegungen auftreten, war bislang jedoch nicht klar. 

Mithilfe detaillierter Computersimulationen konnten die Forschenden nun in der aktuellen Arbeit zunächst das Verhalten weniger Teilchen exakt nachbilden. Darauf aufbauend entwickelten sie ein vereinfachtes Modell, das lediglich die Bewegung des Schwerpunkts eines Solitons beschreibt. Trotz dieser Vereinfachung liefert das Modell entscheidende Einsichten: Es erklärt, warum der Transport nur in festgelegten Schritten stattfindet, wovon diese Schritte abhängen und warum sie so unempfindlich gegenüber Störungen sind. Entscheidend ist dabei eine quantenmechanische Beschreibung der Solitonenbewegung.

Mit diesem theoretischen Rahmen lässt sich jetzt vorhersagen, wie sich der Transport gezielt steuern lässt – etwa durch Änderungen der Gitterstruktur, der Anzahl beteiligter Teilchen oder der Stärke ihrer gegenseitigen Anziehung. Gleichzeitig wird erstmals klar, warum der beobachtete Transport so außergewöhnlich stabil ist. Damit erhält ein bislang überwiegend empirisch beschriebenes Forschungsfeld eine solide theoretische Grundlage.

Langfristig könnten diese Erkenntnisse helfen, neue Wege für den kontrollierten Transport von Information auf kleinsten Skalen zu eröffnen – ein wichtiger Baustein für zukünftige Technologien, etwa in der Quanteninformatik. Bisher wurden solche topologischen Transporte vor allem in Systemen untersucht, in denen Bewegung nur in eine Richtung möglich ist. Ein nächster Schritt wird es sein, dieses Verständnis auf komplexere Systeme mit mehreren Bewegungsrichtungen auszuweiten.

Die aktuelle Studie: 

Quantum Theory of Fractional Topological Pumping of Lattice Solitons; Julius Bohm, Hugo Gerlitz, Christina Jörg and Michael Fleischhauer, Phys. Rev. X 16, 011038; DOI: https://doi.org/10.1103/hhgy-9rd4

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: 

Julius Bohm

Fachbereich Physik

RPTU Kaiserslautern-Landau

E-Mail: jbohm[@]rptu.de

Pressekontakt:

Christine Pauli

Universitätskommunikation

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