Licht
bij de lurven gevat
Geslaagd
experiment stopt licht, houdt het tegen
en laat het dan weer gaan - 18-01-2001
Volgens
The New York Times zijn twee Amerikaanse teams er onafhankelijk
van elkaar in geslaagd licht tot stilstand te brengen, even op te
houden en daarna weer verder te laten gaan. Dat zou de ontwikkeling
van hippe technieken als kwantumcomputing en kwantumcommunicatie kunnen
bevorderen.
In
1999 haalde Lene Vestegaard Hau van de Harvard universiteit
de krantenkoppen door licht, dat in een vacuüm aan een snelheid van
ongeveer 300.000 km/u voortbeweegt, te vertragen tot een gezapige
60 km/u. Het wekt dan ook geen verwondering dat zij één van de twee
teams leidt die licht nu tot staan hebben gebracht. Maar omdat haar
artikel over dat onderzoek pas in een volgend nummer van Nature
verschijnt en dit blad blijkbaar voorwaarden koppelt aan publicatie,
kan zij er nog geen details van vrijgeven. Het andere team, onder
leiding van Ronald Walsworth en Mikhail Lukin van het
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, kan dat gelukkig wel
en zij zijn zo vriendelijk ook Haus onderzoek toe te lichten. Hun
paper zal in het 29 januari-nummer van Physical Review Letters
gepubliceerd worden.
Walsworth en Lukin lieten licht door een medium van gasvormig rubidium,
een alkalisch metaalelement, gaan en volgens hen gebruikt ook Hau
een gelijkaardige techniek. Beide methoden steunen op twee natuurkundige
concepten die allebei hun wortels hebben in de kwantummechanica: Bose-Einstein
Condensatie (BEC) en Elektromagnetisch Opgewekte Transparantie
(EOT).
Toen Satyendra Nath Bose in de jaren '20 het toen nieuwe idee onderzocht
dat licht is opgebouwd uit discrete pakketjes - fotonen - waren zijn
inzichten te nieuw om op de goedkeuring van de traditionele wetenschappelijke
wereld te kunnen rekenen. Hij zocht daarom steun bij Einstein, die
de regels die Bose had ontwikkeld om fotonen te beoordelen ook nuttig
achtte om atomen te beschrijven. Zo poneerde hij de theoretische mogelijkheid
dat atomen zich bij zeer lage temperaturen eigenaardig zouden gaan
gedragen.
In deze toestand, die pas in 1995 voor het eerst werd gecreëerd en
die nooit natuurlijk kan voorkomen, kunnen atomen nauwelijks bewegen.
En aangezien het onzekerheidsprincipe van Heisenberg zegt dat men
nooit gelijktijdig momentum en positie van een deeltje kan meten,
is de positie van deze atomen bijzonder onzeker. De beweging is immers
gekend door de extreem lage temperatuur - slechts een miljoenste graad
boven het absolute nulpunt - en bedraagt bijna nul. Dat betekent dat
de atomen elkaar overlappen, iets wat moeilijk voorstelbaar is omdat
het in het dagelijkse leven nooit wordt ervaren.
Licht dat in een medium terechtkomt dat zich in een BEC-toestand bevindt,
zal op een bijzondere manier met deze materie in interactie treden.
Interactie tussen licht en materie gebeurt ook in ‘normale’ omstandigheden
en ook transparant materiaal - zoals glas - vertraagt het licht een
beetje. Dat gebeurt doordat de lichtdeeltjes door de atomen van het
medium worden geabsorbeerd - het elektron van het atoom wordt naar
een hogere energiebaan geschopt en het foton houdt op te bestaan -
om daarna weer te worden uitgezonden - het elektron valt terug naar
een lagere energie en zendt een foton uit. Tussen de atomen blijft
het licht zich in zijn normale tempo van 300.000 km/u voortbewegen
en de vertraagde snelheid heeft dan enkel te maken met het tijdsverschil
dat de absorptie veroorzaakt. In een BEC bevinden de electronen zich
in een staat waarbij licht in extreme mate vertraagd wordt.
Maar er is nog een tweede element dat een rol speelt, want het BEC-medium
is ondoorzichtig, een eigenschap die verholpen moet worden voor het
experiment zelfs maar gestart kan worden. Daar komt Elektromagnetisch
Opgewekte Transparantie op de proppen. EOT maakt sommige gassen die
normaal niet transparant zijn, zoals rubidium, wel doorzichtig. Die
eigenschap kan opgewekt worden door naast de laserstraal die vertraagd
moet worden, een tweede laserstraal te gebruiken met een iets andere
frequentie. Daardoor ontstaat een ‘beat frequentie’, die door het
gas niet wordt tegengehouden en het daarom transparant maakt.
Op die manier lukte het Hau in 1999 licht te vertragen tot het tempo
van een goed getrainde wielrenner, maar tegelijk werd een steeds kleiner
deel van het gas transparant. Lukin en collega Suzanne Yelin
opperden samen met Michael Fleischauer van de universiteit
van Kaiserslautern dat dit probleem verholpen kon worden door te wachten
tot de laserstraal het gas binnendringt, om dan de intensiteit van
de tweede lichtstraal gradueel te verminderen. Dat zou het systeem,
waarvan licht en gas deel uitmaken, zo organiseren dat de straal altijd
wordt doorgelaten.
En dat blijkt nu gelukt te zijn. Het licht wordt nu volledig ‘geabsorbeerd’
door de atomen, waar het ‘bewaard’ blijft in de toestand van de electronen.
Door de tweede straal geleidelijk aan weer aan te zetten, wordt de
eerste straal hersteld en komt zij terug in beweging. Bovendien wezen
de experimenten uit dat de eigenschappen van de herstelde lichtstraal,
zoals intensiteit en vorm, bewaard blijven.
Volgens de onderzoekers zou dat vooral invloed hebben op de ontwikkeling
van kwantumcomputing en kwantumcommunicatie, twee onderzoeksvelden
waar men in toenemende mate hoopt fotonen te kunnen gebruiken. Een
tijdelijke opslag van licht zou daarbij essentieel zijn. Het onderzoek
van Hau, Walsworth en Lukin zou kunnen helpen dat probleem op te lossen.
(DdV)
Related links:
The
New York Times
Bose-Einstein
Condensatie
Kwantumcommunicatie
©
David de Vaal
