Hon kan stoppa ljuset

För två år sedan lyckades fysiker få ner hastigheten på en ljuspuls så mycket att en vältränad cyklist skulle kunna cykla om den. I fjol lyckades en annan forskargrupp skenbart öka en ljuspuls hastighet långt över ljusets hastighet i vakuum. Nu fortsätter ljustrollerierna. Två amerikanska forskargrupper, en vid Harvard och en vid Harvard-Smithsonians center för astrofysik, har lyckats stoppa en ljuspuls helt och lagra den i en behållare, för att sedan på kommando skicka i väg den igen.

Det som gör fysiker extra entusiastiska är att ljuspulsens alla egenskaper kan bevaras när den stoppas och sedan skickas i väg igen. Det handlar inte bara om ljusets färg eller styrka, utan också om mer subtila egenskaper – sådant som hänförs till kvantfysik. Forskarna talar om att ljusets s k kvantegenskaper bevaras – det ljus som skickas i väg är helt identiskt med det som stoppas och lagras. Därför kan experimentet få stor betydelse för dem som vill utnyttja kvantfysiken för helt nya typer av informationsöverföring eller datorer, s k kvantkryptering och kvantdatorer.

Nyckeln till genombrottet har varit avancerad laserteknik och atomfysikens senaste kunskaper om hur ljus beter sig i speciella gaser. I tidskriften Nature rapporterar dansk-amerikanskan Lene Hau vid Harvard hur forskargruppen först bromsar upp en ljuspuls till en hastighet av 28 meter per sekund. Det görs genom att pulsen skickas in i ett mycket kallt litet moln av natriumatomer – mycket kallt innebär här någon miljondels grad ovanför den absoluta nollpunkten. Den makliga hastigheten kan jämföras med ljusets vanliga blixtfart i vakuum: 300 miljoner meter per sekund.

Verkligt trolleri

Nyckeln till magin är den väl kylda gasens mycket speciella egenskaper när det gäller att förändra ljuspulsens vågform. En ljuspuls form och egenskaper förändras i alla genomskinliga material – men här har man dragit det hela till sin extrem. Även här var Lene Hau och hennes forskargrupp föregångare när de för två år sedan fick ner ljushastigheten i ett liknande välfryst natriummoln till en elitcyklists tempo.

Men nu börjar det verkliga trolleriet. Ljuset liksom slurpas upp av gasen. Ljuspulsen är, innan den tränger in i gasen, ungefär 2 kilometer lång, medan gasmolnet är mindre än en millimeter i diameter – och ändå får ljuset plats. Processen går på sex miljondels sekunder. Just när ljuspulsen fångats upp och i makligt tempo tar sig genom det lilla gasmolnet ändrar Hau och Harvardforskarna spelreglerna. Dessförinnan har man manipulerat gasen, gjort den genomskinlig för ljuspulsen, med hjälp av en annan ljuskälla. Nu stängs den andra ljuskällan av och vips har gasen förvandlats till en fälla för den långsamt framtuffande ljuspulsen.

En ogenomskinlig gas absorberar i vanliga fall ljus helt och hållet. Ljuset går upp i rök helt enkelt, och dess energi tas om hand av atomerna i gasen eller väggen. I Haus ultrakalla lilla natriummoln lagras dock ljuspulsens alla egenskaper noggrant i gasmolnets atomer. Pulsen går inte upp i rök, utan överförs till ett speciellt tillstånd där atomerna i gasen samverkar för att hålla reda på hur ljuspulsen exakt såg ut.

Sedan är det bara att slå på den andra ljuskällan igen. Gasmolnet blir genomskinligt, och ljuspulsen kan fortsätta sin färd ut ur gasmolnet som om ingenting hade hänt.Hau avslutar med att berätta att hon och hennes medarbetare också har börjat leka med experimentet. Till exempel kan de portionera ut den lagrade ljuspulsen i småbitar eller förstärka dess intensitet.