Han bromsar ljuset

Tänk dig en liten höjd med utsikt över en grönskande dal. På höjden står en rad med glasrutor, som fönster utan hus. Tänk dig att ljuset från vyn bromsas in i glaset och bara färdas någon millimeter per år. Det som syns genom rutorna är vad som fanns på andra sidan för länge sedan. De riktigt tjocka fönstren innehåller ljus från tio år av lantlig idyll.

Den här tänkta scenen är hämtad från den klassiska science fiction-novellen Light of other days av Bob Shaw, skriven 1966. I berättelsen vill ett olyckligt ungt par köpa en sådan fönsterruta med lagrad utsikt till sitt hem.

Novellen handlar i och för sig mer om människor än om ljus. Men det långsamma glaset är intressant. I den tomma rymden störtar ljuset fram med nästan 300 000 kilometer i sekunden. Ljus är själva definitionen av det snabbaste som kan finnas. I berättelsen stöter det mot det underliga glaset och bromsar helt plötsligt in, för att sedan snigla sig fram till andra sidan, där det omedelbart kastas i väg igen med full fart, som om inget hade hänt.

Det är en märklig tanke. Men egentligen är det bara en extrem version av vad som händer i våra vanliga fönster där hemma. Även vanligt fönsterglas bromsar ljuset en aning. Solstrålens hastighet genom glaset är ungefär 2/3 av hastigheten genom luft. Ändå kommer det ut på andra sidan i stort sett oförändrat. En renputsad fönsterruta är nästan osynlig för ögat.

Fönsterglaset är ett litet underverk i vardagen som de flesta av oss inte ens funderar på. Men det gör Andreas Walther, som forskar om långsamt ljus vid Lunds universitet. Han kan kontrollera ljuset bättre än naturliga material som glas kan göra. Han tvingar ljuset att röra sig med bara tiotusendelar av sin vanliga hastighet i vakuum. Det är användbart på flera vis.

– Ju längre tid som ljuset tillbringar i materia, desto längre tid finns för att manipulera ljuset och använda det på olika sätt, säger han.

Nu håller han tillsammans med sina kolleger på att utveckla ett sätt att göra bättre medicinska avbildningar med ljus som skickas genom kroppens vävnader. Knepet är att bromsa in och fördröja just det ljus som visar det man vill se, så att det kan skiljas ut från allt annat ljus som grumlar bilden. Forskarna vill förbättra metoden så att den kan användas till att bland annat avbilda cancertumörer eller mäta syresättningen i kroppen.

– Många har forskat om långsamt ljus, men vi är en av de få grupperna i världen som försöker göra en praktisk tillämpning av det, säger Andreas Walther.

Innan han går in på hur han gör för att styra ljusets fart vill Andreas Walther dröja kvar vid det märkliga fenomenet med hur ljus bromsas in i vanliga genomskinliga material som vatten och glas.

Ljus är i grund och botten svängande elektromagnetiska fält. Och materia består av elektriskt laddade partiklar: tunga och tröga atomkärnor med positiv laddning, med små och mer lättrörliga negativt laddade elektroner runt omkring. När ljuset kommer in i materialet händer det saker.

– Ljusets elektriska fält drar i elektronerna i atomerna, säger Andreas Walther.

I ett ogenomskinligt föremål stoppas ljuset genom att det antingen reflekteras, eller sugs upp av elektronernas gemensamma rörelser i materialet och sedan strålas ut som värme. Men elektronerna hålls inhägnade av kvantfysikens begränsningar, som hänvisar dem till vissa energier och förbjuder andra. Om materialet inte tillåter elektronerna att ha precis den energi som finns i synligt ljus kan de inte absorbera ljuset. Så är det i genomskinliga material som glas och vatten. Däremot kan elektronerna ryckas med av ljusets svängiga elektriska fält och dansa med i rytmen. Svängande elektroner ger i sin tur en elektrisk våg. Och det är nu det blir spännande.

Den våg som kommer från glasets elektroner summeras ihop med svängningen i ljuset. Ljusets identitet blir upplöst. Det är inte längre ett självständigt fenomen. I stället är ljuset inuti glasrutan en del av en gemensam vågrörelse i materialet. Den kombinerade vågen ser ut att förskjutas lite bakåt, jämfört med den ursprungliga ljusvågen. Den sammanlagda signalen rör sig långsammare.

När en ljusstråle kommer in i ett material ändras plötsligt hastigheten, och vid gränsytan får strålen en knäck och tar en ny riktning. Det är därför sugröret i ett saftglas kan se ut som om det inte hängde ihop. Fenomenet kallas för brytning – och hur starkt ljuset bromsas anges med brytningsindex. Att ljuset bryts vid ytan ligger bakom optikens alla knep med linser och prismor som manipulerar ljusets riktning.

Ett högt brytningsindex innebär att ljuset bromsas kraftigare och därmed bryts mer. Men för den som skulle vilja återskapa det ultralångsamma glaset i Bob Shaws novell finns ett problem: Ju högre brytningsindex ett material har, desto mer av ljuset reflekteras vid ytan. Att tillverka ett glas med jättehögt brytningsindex skulle inte göra det möjligt att bromsa ljuset så att det sparas, utan bara resultera i en mycket effektiv spegel.

Knepet som Andreas Walther använder för att bromsa ljus hänger i stället ihop med en annan intressant sak som händer i ett prisma: ljus av olika färg (som alltså har olika våglängder) bryts olika mycket. Om vitt ljus går in i prismat kommer en regnbåge ut på andra sidan, eftersom brytningsindex är lite olika stort för olika våglängder på ljuset.

Det här kan Andreas Walther utnyttja, i en extrem form:

– Tekniken kallas för hålbränning. Vi har en kristall som vi kan programmera med en laser. Vi skapar en kanal som bara släpper igenom en viss våglängd.

Det blir inget fysiskt hål, utan lasern ändrar hur materialet reagerar på en viss väl bestämd våglängd. Den utvalda våglängden flyger fram genom kristallen opåverkad, som i tomma rymden, men vågor som bara är pyttelite längre eller kortare blir i stället kraftigt inbromsade.

– Kring den utvalda våglängden blir skillnaden i brytningsindex för olika färger upp till en miljon gånger större än i vanligt glas.

Laserljus är nära nog enfärgat, men det finns alltid små variationer i strålen. Det är omöjligt att göra en kort ljuspuls som innehåller bara en enda våglängd, så det finns alltid inslag i pulsen som avviker lite och som hålets kanter kan gripa tag i.

Återigen ligger själva hemligheten i kombinationen av alla vågor. När nu olika våglängder förskjuts på drastiskt olika sätt, blir effekten för den totala pulsen starkare. Den sammanlagda ljuspulsen uppför sig som om den sackar efter. Effekten kan styras och göras mycket kraftigare än inbromsningen i en vanlig fönsterruta.

Just nu är den forskargrupp vid Lunds universitet som Andreas Walther deltar i den enda i Sverige som arbetar med långsamt ljus. För några år sedan fanns det också ett projekt på Kungliga tekniska högskolan i Stockholm, där forskaren Mauritz Andersson gjorde experiment med inbromsat ljus i ett gasmoln. Nu sysslar han med annat, men han är fortfarande intresserad av långsamt ljus och de möjligheter som det för med sig.

– Material som används för att styra ljus, till exempel i linser och optiska fibrer, har ju fasta egenskaper. Med tekniker för långsamt ljus får vi plötsligt styrknappar för ljuset.

Han pratar om vad det skulle betyda i kvantdatorer eller i ett internet som bygger på ljussignaler. Det skulle gå att skapa kopplingar där olika pulser kan vänta in varandra, eller göra ett optiskt minne genom att hålla kvar ljuspulser.

När Mauritz Andersson får höra om det långsamma glaset i Light of other days nickar han.

– Coolt!

Sedan funderar han lite.

– Det är faktiskt inte fysikaliskt omöjligt. Det finns ett experiment där en bild har bromsats in i ett material och sedan släppts ut igen. Men det var bara några få pixlar.

En annan sak som skiljer berättelsens långsamma glas från verklighetens experiment är att utsikten genom fönstret innehåller ljus av alla färger. Försök med långsamt ljus verkar på en speciell färg i taget.

I Mauritz Anderssons egna försök bestämdes färgen av egenskaperna hos vissa atomer. Ett litet gasmoln med rubidiumatomer badas i ljus från en laser med en särskild våglängd, och släpper då igenom en testpuls av en annan laser, med en annan våglängd. Alltihop hänger på kvantfysiken som styr vilka energier just de här atomerna kan fånga upp och släppa igenom.

Med den första lasern, kontrollasern, skapas en kanal för testlaserns våglängd genom gasen, ungefär som hålet i Andreas Walthers kristall. Ju smalare kanalen är, alltså ju mindre omfång av våglängder som släpps igenom, desto mer bromsas ljuset. I atomgasen styrs bredden på kanalen med styrkan på kontrollasern. Om den görs svagare går testpulsen långsammare.

– Det går i teorin att göra ljuset så långsamt som man vill, säger Mauritz Andersson.

År 1999 lyckades den danskfödda fysikern Lene Vestergaard Hau och hennes forskargrupp vid Harvard university i USA bromsa ljus till cykelfart i ett gasmoln, med en liknande metod som Mauritz Andersson senare använde. Men det rekordet var inte oslagbart. Det går att skruva ner ljuset till löpfart. Kanske gångfart, eller krypfart.

– I mitt försök bromsade vi ljuset till några kilometer i sekunden, säger Mauritz Andersson. Det är ganska långsamt för att vara ljus, men det är lite svårt att cykla ifatt. Lene Vestergaard Hau kunde få det mycket långsammare för att hon använde extremt kalla atomer.

Ännu märkligare blir det. När kontrollasern stängs av är testpulsen helt instängd. Fastfrusen i atommolnet.

– I princip kan du ha ljuset i en liten flaska som du kan bära med dig, säger Mauritz Andersson.

Det har faktiskt gjorts i verkligheten. Inte i en flaska, men nära nog. År 2001 blev Lene Vestergaard Hau först i världen med att stoppa ljuset helt, och sedan släppa ut det igen.

Det som händer kan beskrivas som att ljusets information lagras in som ett avtryck i gasmolnets atomer. När gasen görs genomskinlig igen återskapas ljuset och kommer ut på andra sidan, med sin vanliga hastighet som inget kan tävla mot.

Gränsen mellan ljus och materia suddas ut när ljuset och atomerna växelverkar så kraftigt som i de här experimenten. Det öppnar för många sorters ljuskonster.

– När ljuset är inbromsat i gasmolnet kan det styras med magnetfält, berättar Mauritz Andersson. Vi gjorde försök där vi bland annat riktade om ljuset och ändrade längden på pulsen.

De här märkvärdiga effekterna ligger långt från vår vardagserfarenhet. Forskarnas värld med lasrar och atommoln och specialtillverkade kristaller framstår som ett universum skilt från det vi andra befolkar. Men ljuset tämjs med hjälp av effekter som på små och subtila vis finns omkring oss varje dag, i solsken och glasögon och vattendroppar – och i regnbågen efter ett oväder.

Tänk på det nästa gång du tittar ut genom ett fönster. Ditt fönsterglas är kanske inte lika märkligt som det glaset i Light of other days – och den som skulle vilja spara sin utsikt kan göra det på ett enklare sätt genom att hala fram kameran. Men ändå. Vyn över gatan och grannarna sedd genom rutan är faktiskt lite fördröjd, en aldrig så liten bråkdel av en sekund, jämfört med om fönstret hade stått öppet.