Phys. Rev. Letters: Diskrete Zeitkristalle in aktiv modengekoppelten Lasern

Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit der Universitat de les Illes Balears und der University of Auckland hat die Arbeitsgruppe von Svetlana Gurevich ihre Forschungsergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Die Studie verbindet theoretische und experimentelle Arbeiten, die von den Doktoranden Elias Koch (Münster) und Ruiling Weng (Palma) geleitet wurden. Erstmals konnte gezeigt werden, dass ein Halbleiterlaser im sogenannten modengekoppelten Multi-Puls-Regime spontan in einen neuen dynamischen Zustand übergehen kann, in dem Pulse nur noch mit der halben ursprünglichen Wiederholungsrate erzeugt werden. Der Laser „überspringt“ also effektiv jeden zweiten Puls. Dieses Verhalten gilt als charakteristisches Anzeichen eines diskreten Zeitkristalls, eines Zustands, der die Zeittranslationssymmetrie des antreibenden Systems bricht. Zeitkristalle galten lange als unmöglich und wurden erst in den vergangenen Jahren in zumeist sehr komplizierten Experimenten beobachtet. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Arbeit besteht darin, dass das Phänomen in einem vergleichsweise einfachen, robusten und kontrollierbaren Lasersystem auftritt und dadurch deutlich leichter zugänglich wird. Neben der Periodenverdopplung zeigt das System ein weiteres interessantes Verhalten: Zwei gleichwertige Zustände können koexistieren und unterschiedliche zeitliche Muster ausbilden. Diese „Switching“-Zustände sind durch scharfe Übergänge voneinander getrennt, die den Domänenwänden konventioneller Kristalle ähneln (siehe Abbildung). Die Arbeit liefert damit nicht nur neue Erkenntnisse zur zeitlichen Selbstorganisation komplexer Lasersysteme, sondern eröffnet auch Perspektiven für zukünftige Anwendungen. Dynamische Zeitkristalle könnten beispielsweise zur Verbesserung ultrapräziser Zeitmesstechnologien beitragen, die Erzeugung von Frequenzkämmen optimieren – mit Anwendungen in Spektroskopie, Metrologie und GPS – sowie neue Möglichkeiten zur Kontrolle von Licht in modernen photonischen Bauelementen eröffnen.

R. Weng, E. R. Koch, J. Yelo-Sarrión, J. Batle, N. G. R. Broderick, J. Javaloyes, and S. V. Gurevich, "Discrete Time Crystals in Actively Mode-Locked Lasers", Physical Review Letters 136(19), 193801 (2026). 
DOI: 10.1103/k1cn-ngy6