Wie Licht neue Wege findet: Sebastian Klembt übernimmt Lehrstuhl Experimentelle Physik I in Würzburg

Überblick

Sebastian Klembt erforscht, wie sich Licht so lenken lässt, dass es sich ähnlich robust verhält wie Elektronen in Quantenmaterialien mit besonderen Eigenschaften. Seine Arbeiten an topologischen Lasern sowie neuartigen Licht-Materie-Zuständen sind wegweisend und Klembt gehört international zu den prägenden Köpfen der topologischen Photonik. Er forscht in Würzburg als Teil des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter an der Schnittstelle zwischen Quantenmaterialien, Photonik und Topologie.

 

Klembts wissenschaftlicher Weg führte ihn von der Universität Bremen über die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich bis zum Centre National de la Recherche scientifique (Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung – CNRS) in Grenoble, bevor er 2015 nach Würzburg kam. Früh setzte er auf ein Forschungsfeld, das heute zu den dynamischsten der modernen Physik zählt: die Verbindung von Photonik, Quantenmaterialien und Topologie. Während sich die Photonik damit befasst, Licht gezielt zu erzeugen, zu steuern sowie für technische Anwendungen zu nutzen, beschreibt die Topologie als Teilgebiet der Mathematik robuste Eigenschaften, die auch beim Verformen eines Gegenstands nicht verlorengehen.

 

Durchbruch bei Licht-Materie-Zuständen

Einen wichtigen Durchbruch erreichte Klembt im Rahmen eines Marie-Skłodowska-Curie-Fellowships von 2016 bis 2018. Damals gelang es seinem Team, sogenannte topologische Polaritonen zu realisieren. Das sind Zustände, in denen Licht und Materie eng miteinander wechselwirken und sich besonders robust entlang vorgegebener Bahnen ausbreiten. Dabei ließ sich ihre Bewegungsrichtung mithilfe eines Magnetfelds gezielt beeinflussen, was mit reinem Licht nur schwer möglich ist. Klembts Ergebnisse wurden 2018 in Nature veröffentlicht und markierten einen wichtigen Schritt in Richtung neuartiger optischer Quantensysteme.

 

Topologischer Laser als Meilenstein

Seit 2020 setzte Klembt als Juniorprofessor im Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter seine Forschungen an topologischen Lasern fort. Mit dem ersten topologischen Laser aus vertikalen Resonatoren erzielte er mit seinem Team einen weiteren großen Erfolg. Bei diesem neuartigen Lasertyp werden viele winzige Laser so gekoppelt, dass sie gemeinsam wie ein einziger leistungsstarker Laser arbeiten. Die vertikalen Resonatoren sind mikroskopisch kleine optische Hohlräume, die das Laserlicht senkrecht zur Chipoberfläche abstrahlen. Die Ergebnisse wurden 2021 in Science veröffentlicht. Klembts Ansatz könnte helfen, Laser effizienter, besser skalierbar und weniger störanfällig zu machen.

 

2024 habilitierte Klembt in Würzburg. Zu seinem Forschungsspektrum gehören sehr grundlegende physikalische Fragestellungen ebenso wie mögliche Anwendungen seiner Grundlagenforschung in optoelektronischen Bauelementen. Für die Arbeiten an topologischen Lasern wurde bereits ein Patent beantragt.

 

Zwischen Festkörperphysik und Photonik 

Klembt verschiebt die Grenzen zwischen wissenschaftlichen Disziplinen: Er nutzt Konzepte aus der Festkörper- und Transportphysik für optische Systeme und erschließt so neue Wege, Licht zielgerichtet zu steuern. Ein Beispiel dafür ist die Verwendung des Prinzips von topologischen Isolatoren. Dies sind Materialien mit einer besonderen Eigenschaft: Im Inneren sind sie isolierend, an ihren Rändern können Signale dagegen störungsfrei fließen. Gemeinsam mit seinem Team übertrug Klembt dieses Konzept auf Licht: Die Forschenden fanden eine Möglichkeit, Licht so zu führen, dass es selbst bei Störungen oder Unordnung erstaunlich robust bleibt. Zugleich realisierten sie eine optische Entsprechung zum Spin-Quanten-Hall-Effekt, einem quantenmechanischen Phänomen, bei dem sich Elektronen anhängig von ihrem Spin entlang der Materialränder bewegen. Mit seinen Entdeckungen auf dem Gebiet der topologischen Photonik legt Klembt das Fundament für künftige optische Bauelemente.

 

Forschung mit Zukunftseffekt

„Mich fasziniert die Frage, wie sich durch das gezielte Zusammenspiel von Licht und Materie völlig neue physikalische Eigenschaften erschließen lassen“, sagt Klembt. „Gerade an diesen Schnittstellen entstehen oft die innovativsten Konzepte. Dort sehe ich großes Potenzial für zukünftige Technologien.“

Seit November 2025 hat Klembt den Lehrstuhl für Experimentelle Physik I inne, dessen vorherige Besetzung knapp 20 Jahre zurückliegt. In seiner Antrittsvorlesung „Twisting light and matter: A new perspective on quantum materials, photonics and topology“ am 15. Juni 2026 skizzierte Klembt sein Forschungsziel: eine moderne Experimentalphysik, die Quantenmaterialien, Photonik und topologische Konzepte zusammenbringt sowie grundlegende Erkenntnisse für Technologien von morgen gewinnt.

 

ctd.qmat

Das Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität Dresden erforscht und entwickelt neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Etwa 300 Wissenschaftler:innen aus mehr als 30 Ländern entwerfen an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Materialwissenschaften die Grundlagen für die Technologien der Zukunft. 2026 ist das Cluster in die 2. Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet – mit erweitertem Fokus auf die Dynamik von Quantenprozessen.