Je leest:

Licht ingeblikt

Licht ingeblikt

Auteur: | 11 december 2003

Amerikaanse natuurkundigen hebben een lichtstraal stilgezet. Voor een fractie van een seconde bewogen de fotonen in de straal niet meer. Als het lukt om licht langer ‘in te blikken’, dan komt een geheugencel voor optische computers dichterbij.

Mikhail Lukin en zijn colleges van Harvard University in Cambridge, Massachusetts, zijn eigenlijk de eersten ter wereld die een echte lichtbundel hebben ingevroren. Al vanaf 2001 werken natuurkundigen aan het afremmen en stilzetten van licht, maar voorheen wisten ze alleen de informatie in de lichtbundel op te slaan. De fotonen (lichtdeeltjes) zelf verdwenen door absorptie en werden later opnieuw opgebouwd. Lukin en zijn team slaagden erin, een lichtflits heen en weer te laten kaatsen in een ijskoud gas. De lichtdeeltjes bleven daardoor intact én op hun plek.

Lukin’s team werkte met Rubidium-gas, dat onder invloed van een bepaalde soort laserlicht dispersief wordt: de lichtsnelheid in het gas loopt dan voor verschillende kleuren sterk uiteen. Dat is niet zó vreemd als het klinkt: in water beweegt licht ook een stuk trager dan in lucht, en daarom spiegelt water soms licht terug. Het effect heet lichtbreking en is al eeuwen bekend. (Zie kader: Licht remt altijd een beetje.)

Spiegelende laagjes

Spiegelende laagjes Met twee zogenaamde controlelasers wisten Lukin en zijn collega’s een patroon van dunne laagjes gas te maken, die licht dan weer doorlaten, dan weer terugkaatsen. De signaallaser die ze op dat moment het gas in schoten, bleef tussen zulke laagjes heen en weer kaatsen. Een fractie van een microseconde kon die lichtpuls niet door het gas heen bewegen. De fotonen stonden even stil en schoten daarna weer het gas uit.

Hoewel een microseconde nog maar heel kort is, denkt Lukin dat hij licht nog wel langer op kan sluiten: daar is namelijk geen theoretisch bezwaar tegen. Als het lukt om licht langer stil te zetten, hebben natuurkundigen een soort geheugen voor licht in handen. Daarmee zijn ze dan een stap dichter bij de optische computer, die niet met relatief trage elektrische signalen, maar met licht rekent. Lukin’s bevroren licht kan in zo’n computer de rol van een geheugen op zich nemen.

Lichtcomputers werken met lasers. Door interferentie reageren bundels op elkaar en wordt informatie uitgewisseld. Een ‘lichtstopper’ zou als geheugen kunnen dienen. bron: NASA

Licht opslaan in gas

In 2001 lukte het voor het eerst: een lichtpuls een materiaal insturen, hem daarin even bewaren, en daarna weer vrijlaten. Lukin en zijn collega Ron Walsworth waren de groepsleiders van één van de teams die dat presteerden.

Fotonen en atomen reageren sterk op elkaar in een dispersief gas. “Het komt erop neer dat de atomen de fotonen tot stilstand worstelen,” zei Walsworth destijds. Stuur je zo’n lichtsignaal het gas in, dan remt de voorkant meteen af, terwijl de rest van de puls nog buiten het gas in. Resultaat: de puls krimpt in tot hij helemaal in elkaar geduwd in het gas zit. Atomen en fotonen ‘binden’ aan elkaar en vormen een polariton, deels massief atoom, deels lichtdeeltje. Door de controlelaser langzaam uit te zetten, gaat het massieve deel van het polariton overheersen. Uiteindelijk zit alle informatie en energie uit de lichtpuls in de draaiing van atomen opgeslagen. Door de controlelaser weer aan te zetten, komt die energie en informatie weer vrij: de signaalfotonen worden opnieuw opgebouwd en komen uit het gas zetten.

Overzicht van het invriezen van licht. De rode pijl geeft de controlelaser aan. De pijltjes bij de atomen geven de richting van het magneetveld van atomen weer. Daarin wordt de informatie over het licht opgeslagen.a) signaalpuls nadert het Rubidium-gas;b) voorkant van de puls gaat het gas binnen en remt af;c) hele puls in het gas, atomen richten zich naar de puls en absorberen de fotonen;d) controlelaser uit, atomen bewaren informatie uit de lichtpuls;e) controlelaser weer aan: lichtpuls wordt uit de atomen bevrijd;f) lichtpuls verlaat het gas; bron: American Institute of Physics (AIP)

Licht remt altijd een beetje

Niets kan sneller dan licht, dat stukje relativiteitstheorie is er bij de meesten wel ingehamerd. Helaas is het eigenlijk fout: licht heeft namelijk niet altijd dezelfde snelheid. Alleen in vacuüm haalt het zijn topsnelheid c van 299.792.458 m/s en er is niets dat sneller kan. Maar in lucht, glas, water, en alle andere stoffen remt licht af. Dat komt doordat het reageert op de elektrische en magnetische eigenschappen van atomen. Licht is zelf niets anders dan een elektromagnetische golf, en de wisselwerking met de velden van de atomen remt het een tikje af. In lucht reist het met 0.9997 c, maar in water maar met 0.752 c en in glas tussen de 0.526 en 0.714 c.

Licht heeft in lucht en water een iets andere snelheid. Een lichtstraal die van de een naar de ander gaat, ondervindt breking. Dat is al te zien door met een laser op een glas troebel water te schieten: de straal krijgt een knik door breking bij het grensvlak water-lucht. Hoe sterker het verschil tussen de lichtsnelheden van twee materialen, hoe sterker een lichtstraal wordt afgebogen door het grensvlak.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 december 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.