Eine Lichtwelle, die sich durch einen leeren Raum bewegt, schwingt immer in der gleichen Richtung. Es gibt aber Materialien, mit denen diese Schwingungsebene (Polarisationsrichtung) gedreht werden kann, wenn sie sich in einem magnetischen Feld befinden. Dies wird magneto-optischer Effekt genannt.

An der Technischen Universität von Wien hat nun ein Team unter Leitung von Professor Andrei Pimenov eine Variante dieses Effekts, der schon lange theoretisch vorhergesagt wurde, experimentell bewiesen: Bestimmte Materialien, so genannte topologische Isolatoren, drehen die Polarisationsrichtung des Lichts nicht kontinuierlich, sondern in genau definierten Quantenschritten. Die Größe dieser Schritte hängt ausschließlich von grundlegenden naturwissenschaftlichen Parametern wie zum Beispiel der Feinstrukturkonstanten ab.

Das Innere eines topologischen Isolators kann keinen elektrischen Strom leiten, seine Oberfläche aber umso besser. Und auch, wenn Strahlung durch den Isolator geschickt wird, ist die Oberfläche entscheidend. Ein Lichtstrahl wird zweimal durch die Oberfläche gedreht, einmal beim Eindringen und dann wieder beim Austreten.

Mit Hilfe solcher Materialien ist es in der Theorie möglich, Naturkonstanten genauer zu messen, als dies momentan möglich ist, oder dadurch sogar neue Normdefinitionen einzuführen. Dies ist beispielsweise beim Quanten-Hall-Effekt geschehen. Der elektrische Widerstand wurde auf Grundlage dieses Effekts neu definiert.

Die Forschung von Professor Pimenov kann sich zur Grundlage für die Entwicklung konkreter technischer Anwendungen von Materialien mit speziellen topologischen Eigenschaften weiter entwickeln.