Lene Hau is licht de baas. Met ultrakoude wolkjes natrium kan ze razendsnelle lichtpulsen afremmen, stilzetten, bewaren en weer ongeschonden op weg sturen. Alsof dat niet genoeg is, weten Hau en haar onderzoeksgroep nu ook hoe ze de gevangen lichtpuls van het ene wolkje natrium naar een andere wolk kan vervoeren.
Buizenpost met gevangen licht over (voor atomen) gigantische afstanden. De natuurkundige denkt dat het trucje van pas komt in computers die informatie opslaan in licht in plaats van in elektrische stroompjes.
Licht schiet het ene kluitje ijskoude atomen in en komt er bij een bijna identiek wolkje weer uit. Toverij? Natuurkunde! De BEC is ondoorzichtig, tot er een controlelaser op wordt gericht. Dan kan een tweede lichtpuls er – langzaam – doorheen reizen. Zet de laser uit, en het licht kan niet verder omdat de BEC weer ondoorzichtig wordt. Een deel van de BEC met daarin de energie van de lichtpuls schiet uit het grotere geheel en botst op de tweede BEC. Daar kan de controlelaser het gevangen licht weer in de originele staat herstellen. bron: Ginsber et.al./ Nature. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Ultrakoude gevangenis
In haar experiment gebruikt Hau een Bose Einstein Condensaat (BEC), een groep atomen die zo zijn afgekoeld dat ze nauwelijks meer bewegen. Zulke atomen zijn nauwelijks meer van elkaar te onderscheiden en gedragen zich als een gecoördineerde massa: alsof een groep wandelaars ineens besluiten allemaal in de pas te lopen. Hau liet al eerder zien dat zo’n kwantumkluitje vreemde eigenschappen heeft.
Een BEC is bijna ondoordringbaar voor licht. Alleen als je er een laserbundel op richt kan een tweede lichtpuls door een BEC van natrium reizen, en zelfs dan maar met een slakkegang. Als de controlelaser uitgaat terwijl de lichtpuls nog in de BEC zit, wordt het wolkje atomen weer ondoorzichtig en raakt het licht gevangen. Energie en informatie zitten dan opgeslagen in de tolbeweging van de BEC-atomen. Zet de laser weer aan en de lichtpuls komt weer ongeschonden tevoorschijn! Doordat atomen in de BEC nauwelijks bewegen, raakt de opgesloten lichtinformatie die ze meedragen niet verstoord.
Lene Hau vangt licht op in wolkjes ijskoude atomen: Bose Einstein Condensaten (BECs). Vervolgens kan ze het gevangen licht van de ene naar de andere BEC sturen en daar weer vrijlaten. bron: Ginsber et.al./ Nature. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Hau bedacht dat er méér te doen is met het gevangen licht. De inslag van het lichtpulsje op de BEC geeft dat kluitje atomen een duwtje, berekende ze. De set atomen met daarin de energie en informatie in de lichtpuls schiet daardoor uit het grotere geheel en gaat op reis. Alsof je een pakketje op de post doet. Hau’s onderzoeksgroep ontdekte dat alleen een tweede BEC het opgesloten onbeschadigd kan bevrijden; als de bevrijdingslaser werd aangezet terwijl het wolkje met licht tussen de twee BECs in zat, kwam er alleen ongericht licht uit. De stabiliserende invloed van de tweede BEC dwong het pakketje atomen-met-licht weer in de nette ordening die ze hadden tijdens het invangen van de lichtpuls. De twee ijskoude atoomwolken stonden op 1,6 mm van elkaar, een enorme afstand voor atomaire begrippen.
Volgens Hau en haar teamgenoten Ginsber en Garner heeft hun experiment voorlopig nog geen praktische toepassingen. Die kunnen er wel komen, denkt Hau: ‘dit kan een manier worden om licht even te vangen en te bewaren. Alsof je het in een potje op de plank zet’, vertelde ze de New York Times. ‘Je kunt je ook een computer voorstellen die informatie alleen in licht opslaat en uitleest. Dan heb je geen elektronica meer nodig. Hoe dan ook, het apparaat dat de technici bouwen zal er heel anders uitzien dan onze labopstelling!’
Naomi S. Ginsber, Sean R. Garner, Lene Vestergaard Hau, ‘Coherent control of optical information with matter wave dynamics’, Nature, 8 februari 2007.
Meer over Hau’s experiment
Meer over BECs
- Botsende BECs (Kennislinkartikel)
- Sociaal onder dwang (Kennislinkartikel)
- Nobelprijs natuurkunde 2003 (Kennislinkartikel)