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Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät - Institut für Physik

Forschungs-Highlights des Instituts für Physik

Topologischer Schutz versus Grad der Verschränkung von Zwei-Photonen-Licht in photonischen topologischen Isolatoren

In gemeinsamer Arbeit haben Forscher der Humboldt Universität zu Berlin, des Max-Born-Institut Berlin und der University of Central Florida (USA) notwendige Kriterien für den robusten Transport von verschränktem Zwei-Photon-Licht in photonischen topologischen Isolatoren herausgearbeitet, was den Weg ebnet hin zum rausch-resistenten Transport von Quanteninformationen. Die Ergebnisse sind nun in "Nature Communications" erschienen.

Topologische Isolatoren - ursprünglich in Festkörpersystemen entdeckt – sind zwei-dimensionale Materialien, die streuungs-freien (uni-direktionalen) Transport entlang ihres Randes erlauben, sogar im Beisein von Defekten und Unordnung. Im Wesentlichen sind topologische Isolatoren endliche Kristallgittersysteme in denen sich, mit passender Terminierung des zugrundeliegenden unendlichen Gitters, Randzustände bilden, welche innerhalb einer wohl-definierten Bandlücke zwischen den Volumenzuständen liegen. Mit anderen Worten, die Randzustände sind von den Volumenzuständen energetisch separiert, siehe Abb. (1).

Abbildung 1: Topologische Isolatoren sind endliche Gittersysteme (a), welche Eigenspektren besitzen (b), bei denen die Eigenenergien der Volumenzustände (c) eine Bandlücke aufweisen, welche die Eigenenergien der Randzustände (d) umfasst.

Die Einzelteilchen-Randzustände in solchen Systemen sind von herausragender Bedeutung, da diese topologisch vor Streuung geschützt sind: Sie können weder in den Festkörper streuen, da ihre Energie in der Bandlücke liegt, noch können sie rückwärts streuen, weil rückwärts propagierende Randzustände entweder nicht existieren oder nicht an die vorwärts propagierenden Zustände gekoppelt sind.

Die Realisierbarkeit komplexer Hamilton-Operatoren mithilfe integrierter photonischer Gitter, kombiniert mit der breiten Verfügbarkeit von verschränkten Photonen, eröffnet die faszinierende Möglichkeit topologisch-beschützte, verschränkte Zustände in der optischen Quanteninformationsverarbeitung zu verwenden (siehe z.B. Science 362, 568, (2018) und Optica 6, 955 (2019).

Dieses Ziel zu erreichen ist jedoch nicht trivial, denn topologischer Schutz lässt sich nicht ohne weiteres auf Mehrteilchen (Rück-)streuung ausweiten. Zunächst erscheint dies kontraintuitiv, denn individuell ist jedes der Teilchen per Topologie beschützt, jedoch können verschränkte (korrelierte) Teilchenpaare höchst anfällig gegenüber Störungen des idealen Kristallgitters sein. Das zugrundeliegende physikalische Prinzip dieser offensichtlichen "Diskrepanz" ist, dass – quantenmechanisch gesehen – identische Teilchen durch Zustände beschrieben werden, die einer Austauschsymmetrie genügen.

In ihrer Arbeit erzielen die Forscher mehrere grundlegende Fortschritte hin zu einem detaillierten Verständnis und zur Kontrolle von topologischem Schutz im Kontext von Mehrteilchenzuständen:

  • Erstens, identifizieren sie die physikalischen Mechanismen, die eine Verwundbarkeit von verschränkten Zuständen induzieren und formulieren klare Richtlinien um Verschränkung zu maximieren, ohne dafür topologischen Schutz zu opfern.
  • Zweitens, etablieren und belegen sie ein Schwellenwert-artiges Verhalten der Verwundbarkeit von Verschränkung und finden Bedingungen für den robusten Schutz von hochgradig verschränkten Zuständen

Um genau zu sein, untersuchen sie den Einfluss von Unordnung auf ein Kontinuum von Zwei-Photonen Zuständen, welches von vollständig korrelierten bis hin zu vollständig anti-korrelierten Zuständen reicht und dabei auch komplett separable Zustände umfasst. In ihrer Analyse betrachten sie zwei topologische Gitter, ein periodisches und ein aperiodisches. Im periodischen Fall verwenden sie das hexagonale Haldane Modell und im aperiodischen Fall ein quadratisches Gitter, welches die Einteilchendynamik des Quanten-Hall-Effektes abbildet.

Die Resultate zeichnen einen klaren Weg hin zur Erzeugung robuster Wellenpakete – maßgeschneidert für die spezifisch vorliegende Unordnung. Insbesondere finden sie Grenzen für die Stabilität von verhältnismäßig stark verschränkten Zuständen, und damit praktische Richtlinien zur Erzeugung von nützlichen verschränkten Zuständen in topologischen photonischen Systemen. Schließlich zeigen diese Ergebnisse, dass, um Verschränkung zu maximieren ohne den topologischen Schutz zu verlieren, die spektrale Korrelationsverteilung von Zwei-Photonen Zuständen in einem wohl-definierten "Fenster des topologischen Schutzes" liegen muss, siehe Abb. (2).

Abbildung 2: Um das topologische Fenster des Schutzes zu finden, betrachten die Forscher einen spektral breiten Produktzustand als Anfangszustand und propagieren diesen durch ein Ensemble von 1000 zufälligen Haldane Gittern. (a) Zeigt die spektrale Korrelationsverteilung des Anfangszustands und (b) das Ensemble-Mittel der Korrelationsverteilung im Rand-Rand Unterraum nach der Propagation durch das Ensemble von ungeordneten Gittern. Es zeigt sich, dass die einzigen Zwei-Photon Amplituden, die die durch Unordnung induzierte Streuung überleben, innerhalb der Region liegen, die durch das schwarze Quadrat markiert ist – das Fenster des topologischen Schutzes. Zu guter Letzt, zeigen (c) und (d) , jeweils, den Randmodenanteil E und das Produkt des Randmodenanteils mit der Schmidtzahl E · SN als Funktion der Varianzen des Anfangszustandes.

Publikation

Topological protection versus degree of entanglement of two-photon light in photonic topological insulators

Konrad Tschernig, Álvaro Jimenez-Galán, Demetrios N. Christodoulides, Misha Ivanov, Kurt Busch, Miguel A. Bandres, Armando Perez-Leija

Veröffentlichung am 30. März 2021 in Nature Communications 12, Article number: 1974 (2021)

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Arbeitsgruppe Theoretische Optik/Photonik


 

Stability of non-supersymmetric solutions of string theory

 

One of string theory's most prominent predictions is that our universe has extra spatial dimensions that we do not observe directly. Instead, these extra dimensions are curled up into a small compact space. In order to yield any meaningful physics, these "compactifications" must be stable, much like a ball in a valley of a hill is stable since if it is pushed slightly to the side, it will roll-back to its initial position. By contrast, if the ball is at the top of a hill, a small push to the side will cause the ball to roll down the hill and far away from its original unstable position. Similarly, in an unstable compactification, a small deformation of the shape of the extra dimensions of string theory will cause the extra dimensions to rapidly expand to large size or even to collapse and form a rip in space. Typically, string compactifications are unstable, unless they possess supersymmetry, an elegant symmetry arising in string theory but which is not observed in the real world.

Adolfo Guarino (University of Oviedo), Emanuel Malek (Humboldt-Universität zu Berlin) and Henning Samtleben (École Normale Supérieure de Lyon) proved the stability of 7 non-supersymmetric solutions of string theory, consisting of a 4-dimensional negatively curved spacetime, called anti-de Sitter space, and 6 curled up dimensions making up a spherical shape. These form the first examples of stable string theory solutions containing anti-de Sitter space. While these solutions cannot be used to directly model our universe, they could provide the first models for 3-dimensional non-supersymmetric condensed matter systems via the "holographic principle". Moreover, this class of solutions are a stepping stone towards better understanding non-supersymmetric solutions of string theory in general.

Publikation

Stable Nonsupersymmetric Anti–de Sitter Vacua of Massive IIA Supergravity

Adolfo Guarino, Emanuel Malek, Henning Samtleben

Veröffentlichung am 10. Februar 2021 in Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 061601

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Emmy Noether-Nachwuchs­gruppe "String Theory Flux Vacua"


 

Sharing is Caring! Mit FAIRem Datenmanagement und KI die Materialien der Zukunft entdecken

Podiumsdiskussion mit Prof. Claudia Draxl (HU) und Prof. Matthias Scheffler (HU und Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft), moderiert von Prof. Peter Frensch (HU, Vizepräsident für Forschung) auf der Berlin Science Week 2020

Viele Produkte verdanken ihre Funktion neuartigen Werkstoffen, doch wie können wir Materialien finden, die besonders leistungsfähig sind und neue Technologien ermöglichen? Indem wir unser Wissen klüger verwerten!

Weltweit werden Unmengen von wissen­schaft­lichen Daten über Materialien generiert, ein Großteil davon wird jedoch als "Abfall" nicht weiter berücksichtigt, da diese Daten nicht dem konkreten Forschungsprojekt dienen. Für andere Forschungsansätze könnten sie aber wertvolle Informationen enthalten. Hier ist Umdenken gefragt: "Recycle the Waste!".

Auf der diesjährigen Berlin Science Week veranschaulichten Claudia Draxl und Matthias Scheffler, dass sich dieser Ansatz nur mit Künstlicher Intelligenz und einer FAIRen Dateninfrastruktur realisieren lässt. (FAIR steht für Findable, Accessible, Interoperable und Re-purposable.) Eine solche Infrastruktur ermöglicht den produktiven Umgang mit wissenschaft­lichen Daten und ist damit essenziell für die Entwicklung von Zukunfts­technologien.

Für die computergestützten Materialwissenschaften haben Draxl und Scheffler eine solche Infrastruktur bereits aufgebaut: Das NOMAD Lab ist die weltweit größte Datenbank für Materialeigenschaften, die mittlerweile 100 Millionen Berechnungen enthält. Draxl und Scheffler gehen noch einen Schritt weiter. Im Rahmen des NOMAD Center of Excellence entwickeln sie die rechnergestützten Materialwissenschaften zu neuen Anwendungsmöglichkeiten und bereiten sie so für die kommende Generation von Hoch­leis­tungs­­rechnern (exascale computers) vor.

Weitere Informationen

Video der Podiumsdiskussion

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Arbeitsgruppe Theoretische Festkörperphysik

Das Novel Materials Discovery (NOMAD) Laboratory

Das NOMAD Center of Excellence


 

Dichtefluktuationen in amorphem Silizium entdeckt

Erstmals gelang es mit Röntgen- und Neutronenstreuung an BESSY II und BER II in amorphem Silizium mit einer Auflösung von 0.8 Nanometern atomare Substrukturen zu identifizieren. Solche a-Si:H-Dünnschichten werden bereits seit Jahrzehnten in Solarzellen, TFT-Displays und Detektoren eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich drei unterschiedliche Phasen innerhalb der amorphen Matrix bilden, die Qualität und Lebensdauer der Halbleiterschicht dramatisch beeinflussen. Die Strukturaufklärung gelang in einer Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Physik der HU, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und den Technischen Universitäten Eindhoven und Delft.

Silizium muss nicht kristallin sein, sondern lässt sich auch als amorphe Dünnschicht herstellen. Wird bei der Herstellung dieser Dünnschichten zusätzlich Wasserstoff eingelagert, entstehen so genannte a-Si:H-Schichten. Solche a-Si:H-Dünnschichten werden schon seit Jahrzehnten für verschiedene Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel als Kontaktschichten in hoch effizienten Tandemsolarzellen aus Perowskit und Silizium. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass das a-Si:H-Netzwerk keineswegs homogen amorph ist, sondern dass die amorphe Matrix von nanometergroßen Bereichen durchsetzt ist, die unterschiedliche lokale Dichte aufweisen, von Hohlräumen bis hin zu Bereichen mit extrem hoher Ordnung. Es gelang diese Inhomogenitäten in unterschiedlich hergestellten a-Si:H-Dünnschichten experimentell zu beobachten und quantitativ zu vermessen. Dafür wurden die Ergebnisse aus komplementären Messmethoden zu einem Gesamtbild kombiniert.

Auf der Nanometerskala wurden Hohlräume entdeckt, die etwas mehr als 10 fehlenden Atomen entsprechen, und sich wiederum in einem Abstand von etwa 1,6 Nanometern anordnen. Außerdem wurden nanometergroße Regionen entdeckt, in denen Silizium-Atome verglichen mit dem umgebenden Material besser geordnet vorliegen. Diese dicht geordneten Domänen (DOD) enthalten kaum Wasserstoff. Die DOD bilden Aggregate mit bis zu 15 Nanometern Durchmesser. Die DOD-Regionen können mechanische Spannungen im Material reduzieren und so zur Stabilität der a-Si:H-Dünnschicht beitragen. Die Leerstellen dagegen könnten die "Alterung" der Halbleiterschichten begünstigen.

Gezielte Optimierungen der Herstellungsverfahren hinsichtlich der nun entdeckten Substrukturen könnten neue Anwendungen ermöglichen, beispielsweise in der Entwicklung von Lichtwellenleitern für programmierbare photonische Systeme und im Bereich der Silizium-Batterietechnologie.

Auf Basis der Messdaten errechnetes Strukturmodell von hochporösem a-Si:H, das sehr rasch abgeschieden wurde. Dicht geordnete Domänen (DOD) sind blau und Hohlräume rot gezeichnet. Die graue Schicht stellt die ungeordnete a-Si:H-Matrix dar. Die runden Ausschnitte zeigen die Nanostrukturen vergrößert bis zur atomaren Auflösung (unten, Si-Atome: grau, Si-Atome an den Oberflächen der Leerräume: rot; H: weiß) Bild: Eike Gericke/HZB

Publikation

Quantification of nanoscale density fluctuations in hydrogenated amorphous silicon

Eike Gericke, Jimmy Melskens, Robert Wendt, Markus Wollgarten, Armin Hoell, Klaus Lips

Veröffentlichung am 29. Oktober 2020 in Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 18, 185501

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Prof. Simone Raoux, Institut für Nanospektroskopie des HZB


 

Quantenmikroskopie enthüllt unsichtbare Bio-Merkmale

Forscherinnen und Forscher der Humboldt-Universität zu Berlin und des Experimental and Clinical Research Centers in Berlin zeigen, wie Quantenlicht das Gebiet der biomedizinischen Mikroskopie unterstützen kann. In ihrem neuen Experiment, das auf der Titelseite von "Science Advances" zu sehen ist, verwendet das Team verschränkte Photonen, um eine Gewebeprobe abzubilden, die mit "unsichtbarem" Licht im mittleren Infrarot (MIR) untersucht wird, ohne dieses Licht jemals zu sehen. Dadurch werden die normalerweise schwerwiegenden Probleme vermieden, die sich aus der schlechten Leistung und dem hohen Preis von breitbandigen MIR-Lichtquellen und Kameras ergeben. Stattdessen verwenden die Forscherinnen und Forscher einen normalen Laser und eine kommerzielle CMOS-Kamera. Dadurch ist dieser Ansatz für MIR-Mikroskopie nicht nur robust, schnell und rauscharm, sondern auch kostengünstig - was sie für Anwendungen in der realen Welt sehr vielversprechend macht. Dies zeigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, indem sie Mikroskopaufnahmen einer Gewebeprobe aus einem Mausherz anfertigen.

Bild: Quantenmikroskopie eines Mausherzens. Verschränkte Photonen ermöglichen die Erstellung eines hochauflösenden MIR-Bildes unter Verwendung einer CMOS-Kamera und extrem niedrigen Beleuchtungs­intensitäten. Im Bild: Absorption (links) und Phaseninformation (rechts) aus einem Bereich in einem Mausherz. Der gelbe Balken entspricht 0,1 mm, was etwa der Breite eines menschlichen Haares entspricht.

Weitere Informationen

Nachricht der Humboldt-Universität zu Berlin

Publikation

Microscopy with undetected photons in the mid-infrared

Inna Kviatkovsky, Helen M. Chrzanowski, Ellen G. Avery, Hendrik Bartolomaeus, Sven Ramelow

Veröffentlichung am 14. Oktober 2020 in Science Advances 6, Issue 42

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Arbeitsgruppe Nichtlineare Quantenoptik


 

Versteckte Symmetrien in Massiver Quantenfeldtheorie

Theoretische Modelle mit einem hohen Maß an Symmetrie sind in der Physik allgegenwärtig und oft der Schlüssel zur Entwicklung effizienter Methoden für komplexe Probleme. Wenn die Anzahl der Symmetrien eine kritische Schwelle überschreitet, wird ein System als integrabel bezeichnet, wobei ein Paradebeispiel das Kepler-Problem der Planetenbewegung ist. Während Integrabilität typischerweise mit einem breiten Spektrum mathematischer Methoden einhergeht, ist es oft schwierig, die zugrunde liegenden Symmetrien zu identifizieren. Zum ersten Mal wurden nun Strukturen der Quanten-Integrabilität im Kontext massiver Quantenfeldtheorien in vier Raumzeitdimensionen entdeckt. Florian Loebbert und Julian Miczajka (beide Humboldt-Universität) konnten zusammen mit Dennis Müller (NBI Kopenhagen) und Hagen Münkler (ETH Zürich) zeigen, dass große Klassen von meist ungelösten massiven Feynman-Integralen eine unendlich dimensionale Yangian Symmetrie aufweisen - ein Kennzeichen der Integrabilität. Diese mathematische Struktur ist sehr einschränkend und ermöglicht es, diese Bausteine der Quantenfeldtheorie vollständig zu fixieren, wie für erste Beispiele gezeigt werden konnte. Die beobachtete Yangian Symmetrie geht einher mit einer Erweiterung der wichtigen Struktur der konformen Symmetrie auf Situationen mit massiven Teilchen. Bemerkenswerterweise legt diese Entdeckung nahe, dass ähnliche Symmetriemerkmale auch in massiven Versionen der berühmten holographischen Dualität zwischen Eichentheorien und Gravitation verborgen sein können. Diese Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Physical Review Letters 125 (2020) 9, 091602.

Publikation

Massive Conformal Symmetry and Integrability for Feynman Integrals
Florian Loebbert, Julian Miczajka, Dennis Müller, and Hagen Münkler
Veröffentlichung am 25. August 2020 in Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 9, 091602

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Arbeitsgruppe Quantenfeld- und Stringtheorie


 

Jetting into the dark side: a precision search for dark matter

The nature of dark matter remains one of the great unsolved puzzles of fundamental physics. Unexplained by the Standard Model, dark matter has led scientists to probe new physics models to understand its existence. Many such theoretical scenarios postulate that dark matter particles could be produced in the intense high-energy proton–proton collisions of the LHC. While the dark matter would escape the ATLAS detector unseen, it could occasionally be accompanied by a visible jet of particles radiated from the interaction point, thus providing a detectable signal.

The ATLAS Collaboration set out to find just that. Today, at the International Conference in High-Energy Physics (ICHEP 2020), ATLAS presented a new search for novel phenomena in collision events with jets and high missing transverse momentum (MET). The search was designed to uncover events that could indicate the existence of physics processes that lie outside the Standard Model and, in doing so, open a window to the cosmos.

A monojet event recorded by the ATLAS experiment in 2017, with a single jet of 1.9 TeV transverse momentum recoiling against corresponding missing transverse momentum (MET). The green and yellow bars show the energy deposits in the electromagnetic and hadronic calorimeters, respectively. The MET is shown as the red dashed line on the opposite side of the detector. (Image: ATLAS Collaboration/CERN)

Weitere Informationen

Physics Briefing, By ATLAS Collaboration, 27th July 2020

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Arbeitsgruppen Experimentelle Elementar- und Astroteilchenphysik und Hochenergiephysik


 

Direct measurement of quantum efficiency of single-photon emitters in hexagonal boron nitride

Single-photon emitters (SPEs) in two-dimensional materials are promising candidates for the future generation of quantum photonic technologies. In this work, we experimentally determine the quantum efficiency (QE) of SPEs in few-layer hexagonal boron nitride (h-BN). We employ a metal hemisphere that is attached to the tip of an atomic force microscope to directly measure the lifetime variation of the SPEs as the tip approaches the ℎ-BN. This technique enables nondestructive, yet direct and absolute measurement of the QE of SPEs. We find that the emitters exhibit very high QEs approaching (87±7)% at wavelengths of ≈580  nm, which is among the highest QEs recorded for a solid-state SPE

Schematics of an experiment to measure the quantum efficiency of a single photon emitter in a two-dimensional material: A metal sphere very close to the emitter changes the spontaneous emission rate due to a quantum electrodynamic effect thus revealing its quantum efficiency.

Publikation

Direct measurement of quantum efficiency of single-photon emitters in hexagonal boron nitride
Niko Nikolay, Noah Mendelson, Ersan Özelci, Bernd Sontheimer, Florian Böhm, Günter Kewes, Milos Toth, Igor Aharonovich, and Oliver Benson
Optica 6 (2019), 1084-1088

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Arbeitsgruppe Nanooptik