|
Frosset lys
At bringe en lysstråle til standsning kan bane vejen for ny optisk kommunikationsteknologi, sorte huller på skrivebordet og kvantecomputere
Lene Vestergaard Hau*
Ultrakolde atomer til at fryse lys
Alle kender lysets hastighed som en af universets urystelige egenskaber. Så er det ikke overraskende, at eksperimenter med at ændre lysets hastighed radikalt kræver alvorligt udstyr og hårdt arbejde. Udførelse af et sådant eksperiment kræver først en omhyggelig indstilling og optimering af opstillingen og så en lang periode med samvittighedsfuld indsamling af data for at få et konsistent sæt målinger. På Rowland Institute for Science i Cambridge, Mass. skete vore oprindelige eksperimenter med langsomt lys i arbejde, der varede 27 timer nonstop. I stedet for at holde pause til måltider lærte vi at balancere en skive pizza i den ene hånd og holde den anden fri til at knipse spejle ind og ud på optikbordet i 38 sekunders totalt mørke på et afgørende trin af hver kørsel. Vort mål var at sænke hastigheden på lyset drastisk. Lyset bevæger sig gennem det tomme rum med universets endelige hastighedsgrænse på næsten 300.000 kilometer i sekundet. Vi så de første tegn på, at lysimpulserne satte farten ned i marts 1998. Som det så ofte sker i eksperimentel fysik – fordi det kan tage så mange timer at få alle delene til at arbejde sammen første gang – skete det i morgenens små timer, kl. 0400. I juli var vi nede på et flys hastighed. På det tidspunkt skulle jeg til Niels Bohr Instituttet i København for at undervise. Jeg kan huske, at jeg sad i flyet og undrede mig over, at jeg rejste ”hurtigere end lyset” – at jeg kunne overvinde en af vore langsomme pulser til Danmark med en hel time. Selvfølgelig var jeg rastløs i løbet af ugen i København og ivrig efter at komme tilbage til Cambridge for at fortsætte eksperimenterne med at bremse lyset. I løbet af den næste måneds tid nåede vi 60 kilometer i timen og besluttede, at det var tid til offentliggørelse. Den virkelige belønning for det hårde arbejde inden disse resultater var at sidde i laboratoriet midt om natten og observere det langsomme lys’ pulser og vide, at vi var de første i verden der så lys bevæge sig så langsomt, at man kunne køre fra det på en cykel. Sent sidste år førte vi denne proces til sin logiske, men forbavsende, slutning: vi standsede lyspulserne fuldstændigt inde i bittesmå gasskyer, der var nedkølet til nær absolut nul. Vi kunne, så at sige, kort holde pulserne på is og så sende dem tilbage på vej. Ud over at være af væsentlig interesse har opbremsningen og frysningen af lyset et antal anvendelser. Ved tilstrækkelige lave temperaturer danner de ultrakolde skyer af atomer, vi bruger i vore eksperimenter med langsomt lys, Bose-Einstein kondensater, bemærkelsesværdige systemer i hvilke, alle atomerne samles i en enkelt kvantetilstand og virker synkront. Nye studier af Bose-Einstein kondensater vil blive gjort mulige ved f.eks. at sende en lyspuls gennem et kondensat så langsomt som en lydbølge, hvilket vi forventer vil forårsage, at en bølge af atomer vil ”surfe” på lyspulsen. Arbejdet med langsomt og frosset lys åbner også for nye muligheder for optisk kommunikation og dataopbevaring og for bearbejdning af kvanteinformation – dvs. for kvantecomputere, som vil bruge kvantefænomener til at overgå konventionelle computere. Frosset lys systemet omdanner essentielt mellem stillestående former for kvanteinformation og fotoner, der flyver omkring med lysets sædvanlige hastighed.
Mange almindelige materialer sænker lysets hastighed. Vand, f.eks., sænker lysets hastighed med 75% af dets hastighed i et vakuum. Men den type reduktion af hastigheden, som er forbundet med et materiales refraktive index, er begrænset. Diamant, som har et af de højeste refraktive indices af gennemsigtige materialer, sænker kun lysets hastighed med en faktor på 2,4. Sænkning af lysets hastighed med faktorer på ti millioner kræver nye virkninger, der afhænger af kvantemekanik. Min gruppe frembringer betingelserne for disse virkninger i en cigarformet sky af natrium atomer – typisk 0,2 millimeter lang og 0,05 millimeter i diameter – fanget i et magnetisk felt og nedkølet til indenfor en milliontedel af en grad over absolut nul. Natrium tilhører familien af alkali atomer, der har en enkelt, yderste, eller valens, elektron. Valenselektronen frembringer næsten hele virkningen: Et natrium atoms forskellige exciterede tilstande svarer til, at den elektron ophøjes til større baner omkring kernen med højere energier end dens sædvanlige laveste energitilstand, eller grundtilstand. Disse tilstande bestemmer, hvordan atomet vekselvirker med lys – hvilke frekvenser det vil absorbere stærkt og så videre. Desuden er både valenselektronen og atomets kerne magneter, der virker som små kompasnåle. Elektronens magnetisme er forbundet med dens indre drejningsmoment, eller spin, lidt som forbindelsen mellem jordens rotationsakse med magnetisk nord men rettet eksakt ind. De præcise energier af et atoms exciterede tilstande afhænger af, hvordan kernens og valenselektronens spin er rettet ind. Skønt et atom kan indtage en mangfoldighed af sådanne tilstande, bruger vi kun tre af dem til at bremse lyset. Når vi i vore eksperimenter er færdige med at forberede og afkøle atomskyen, er hvert atom i tilstand 1, dets grundtilstand: valenselektronen er i sin laveste bane og dens spin er eksakt modsat, eller anti-rettet ind, med kernens spin. Hvert atoms totale magnetisme er også anti-rettet ind med det magnetfelt, vi bruger til at holde skyen på plads. Tilstand 2 er en meget lignende tilstand, blot er elektronens og kernens spin rettet ind, hvilket hæver atomets energi en smule. Tilstand 3 har omkring 300.000 gange mere energi end tilstand 2 og frembringes ved at sende valenselektronen op til en større bane. Atomer, der slapper af og går fra tilstand 3 ned til tilstand 1 eller 2, frembringer natrium gadelygters karakteristiske gule glød. Lyspulsen, som vi ønsker at bremse, justeres til energiforskellen mellem tilstandene 1 og 3. Hvis vi sendte en puls af det lys ind i skyen uden nogen anden forberedelse, ville atomerne absorbere pulsen fuldstændigt og springe fra tilstand 1 til tilstand 3. Efter kort tid ville de exciterede atomer slappe af ved at genudsende lyset, men tilfældigt og i alle retninger. Skyen ville gløde lyst gult, men al information om den oprindelige puls ville være udslettet. For at forhindre denne absorption bruger vi elektromagnetisk induceret gennemsigtighed, et fænomen der først blev observeret tidligt i 1990’erne af Stephen E. Harris’ gruppe på Stanford University. I elektromagnetisk induceret gennemsigtighed skinner en laserstråle med en omhyggeligt valgt frekvens på skyen og ændrer den fra at være uigennemsigtig som en væg til at være så klar som glas for lys af en anden specifik frekvens. Den gennemsigheds-inducerende stråle, eller koblingsstråle, justeres til energiforskellen mellem tilstandene 2 og 3. Atomerne i tilstand 1 kan ikke absorbere denne stråle. Når lyset fra prøvepulsen, som er justeret til tilstand 3, ankommer skifter de to stråler atomerne til en kvantesuperposition af tilstandene 1 og 2, hvilket betyder, at hvert atom er i begge tilstande samtidigt. Tilstand 1 alene ville absorbere prøvelyset og tilstand 2 ville absorbere koblingsstrålen, begge ved at flytte atomerne til tilstand 3, som så ville udstråle lyset tilfældigt. Tilsammen udligner de to processer imidlertid hinanden, som jævnbyrdige konkurrenter i en tovtrækning – en virkning kaldet kvanteinterferens. Den superponerede tilstand kaldes en mørk tilstand, fordi atomerne egentlig ikke kan se strålerne (de forbliver ”i mørket”). Atomerne forekommer gennemsigtige for prøvestrålen, fordi de ikke kan absorbere den i den mørke tilstand. Hvilken superposition der er mørk – hvilket forhold mellem tilstand 1 og 2 der behøves – varierer ifølge forholdene mellem lys i koblings- og prøvestrålerne på hvert sted. Men når systemet først starter i en mørk tilstand (i dette tilfælde 100 procent koblingsstråle og 100 procent tilstand 1), justerer det sig og forbliver mørkt, selv når prøvestrålen lyser op. En lignende udligning gør det refraktive index til nøjagtig en – som tomt rum – for prøvelys justeret til præcis tilstand 3. Ved meget lidt forskellige frekvenser derimod er udligningen mindre eksakt og det refraktive index ændrer sig. En kort lyspuls ”snuser” denne variation af indexet fordi en puls i virkeligheden består af et lille område af frekvenser. Hver af disse frekvenser ser et forskelligt refraktivt index og bevæger sig derfor med en forskellig hastighed. Denne hastighed, af en kontinuerlig stråle med ren frekvens, er fasehastigheden. Lyspulsen befinder sig der, hvor alle disse komponenter er præcist synkroniserede (eller, mere teknisk, i fase). I et almindeligt medium som luft eller vand bevæger alle komponenterne sig med praktisk taget samme hastighed og stedet, hvor de er synkroniserede – pulsens placering – ,bevæger sig også med den hastighed. Når komponenterne bevæger sig med det område af hastigheder, der forekommer i de gennemsigtige atomer, flyttes stedet, hvor de er synkroniserede, stadig længere tilbage; med andre ord bremses strålen. Pulsens hastighed kaldes gruppehastigheden, fordi pulsen består af en gruppe stråler med forskellige frekvenser. Denne proces adskiller sig i et antal vigtige henseender fra den sædvanlige opbremsning af lys i et medium med et refraktivt index større end én: gruppehastigheden sænkes, ikke fasehastigheden; den meget stejle variation af det refraktive index, ikke en stor værdi af selve indexet, forårsager opbremsningen; og koblingslaserstrålen skal være på hele tiden.
Ultrakolde atomer til at fryse lys
Jo hurtigere det refraktive index ændrer sig med frekvensen, jo langsommere bevæger pulsen sig. Hvor hurtigt indexet kan ændre sig begrænses af Doppler virkningen: atomernes uophørlige bevægelse i gassen udtværer hver tilstand over et lille område energier. Doppler virkningen er som ændringen i tonen hos en sirene, der bevæger sig hen imod eller bort fra en. Tænk på den mislyd af toner man ville høre hvis mange politibiler racede hen imod og bort fra en med varierende hastighed. Min forskningsgruppe bruger yderst kolde atomer (som bevæger sig langsomt) for at minimere denne Doppler spredning. Følgelig er energitilstandene skarpt defineret og frekvensområdet, hvor udligning sker, kan gøres snævert. Langsomt lys i gasser ved stuetemperatur er blevet opnået af Marlan O. Scullys gruppe på Texas A&M University, Dmitri Budkers gruppe på University of California at Berkeley og gruppen på Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass. ledet af Ronald L. Walsworth og Mikhail D. Lukin. Brugen af varme atomer sparer disse grupper for at skulle frembringe ultrakolde atomer, men det begrænser deres evne til at bremse lys.
Vi afkøler vores natrium atomer med en kombination af laserstråler, magnetiske felter og radiobølger. Atomerne dukker først frem fra en varm kilde som en intens stråle, der bevæger sig med omkring 2.600 kilometer i timen. En laserstråle rammer atomerne lige forfra og bremser dem på et millisekund til 160 kilometer i timen – en deceleration på 70.000 G frembragt af en laserstråle, der ikke ville brænde ens finger. Yderligere laser afkøling i en optisk sirup – seks stråler bader atomerne fra alle sider – nedkøler atomerne til 50 milliontedele af en grad over absolut nul. På nogle få sekunder akkumulerer vi 10 milliarder atomer i siruppen. Dernæst slukker vi laserstrålerne, lægger laboratoriet i fuldstændigt mørke og tænder for elektromagneterne, hvis kombinerede felt holder atomskyen som i en fælde. I 38 sekunder afkøler vi atomerne gennem fordampning, hvor vi sparker de varmere atomer ud og efterlader de køligere tilbage. Særligt justerede radiobølger hjælper med at sende de varme atomer hurtigt afsted. Hele denne proces – fra varm stråle til kolde, indfangede atomer – finder sted inde i et vakuumkammer, der er udpumpet til 10-14 (en 10 kvadrilliontedel) af atmosfærisk tryk. Når vi afkøler skyen til omkring en 500 milliarddel af en grad, danner den et Bose-Einstein kondensat, en meget mærkelig tilstand af stoffet, i hvilken de adskillige millioner atomer, der er tilbage efter afkølingen gennem fordampning, opfører sig på en fuldstændig synkroniseret måde [se ”The Coolest Gas in the Universe,” af Graham P. Collins; Scientific American, december 2000]. Disse ultrakolde atomskyer, som holdes frit svævende midt i vakuumkammeret af et magnetfelt, er de koldeste steder i universet. Og dog er resten af vor eksperimentelle opstilling indenfor en centimeter fra skyen ved stuetemperatur. Vakuumforseglede vinduer på kammeret lader os se atomerne direkte med øjnene under laser afkølingen: en kold atomsky i optisk sirup ligner en lille lys sol, fem millimeter i diameter. Sådan nem optisk adgang lader os massere atomerne med laserstråler og få dem til at gøre nøjagtig som vi ønsker. Når vores cigar af kolde atomer er på plads, belyser vi den fra siden med koblingslaseren. Så afsender vi en prøvepuls langs cigarens akse. For at måle lysets hastighed udfører vi den mest direkte måling, man kan forestille sig: vi sidder bag atomskyen med en lysdetektor og venter på at lyspulsen skal komme ud for at se, hvor længe det varer. Umiddelbart efter pulsen er gået igennem, måler vi skyens længde med en anden laserstråle, der skinner nedefra for at kaste skyens skygge på et kamera. Den længde divideret med pulsens forsikelse giver os hastigheden. Forsinkelserne er typisk i området fra mikrosekunder til millisekunder; det kan lyde kort, men det svarer til at lyset tager en omvej gennem kilometervis af optisk fiber snoet til en spole. Når vi bremser en lysstråle ned med en faktor på 20 millioner, sker der mere end blot en ændring i hastighed. I starten er vor lyspuls en kilometer lang og farer gennem luften med næsten 300.000 kilometer i sekundet. (Selvfølgelig er vort laboratories længde meget mindre end en kilometer, men hvis vi kunne anbringe vor laser så langt væk, ville dens pulser være så lange i luften.) Pulsens forkant krydser glasvinduet ind i vakuumkammeret og går ind i vor svævende plet natriumatomer. Inde i denne tynde sky bevæger lyset sig med 60 kilometer i timen. En cyklist på en racercykel kunne overhale så langsomt lys.
Når pulsens forkant bevæger sig så langsomt og halen stadig styrter frem gennem luften, stables pulsen ind i gassen som en harmonika. Dens længde presses sammen med en faktor på 20 millioner til blot en tyvendedel af en millimeter. Man kunne måske forvente, at lysets intensitet ville stige meget, fordi den samme mængde energi presses ind i et mindre rum. Denne forstærkning sker imidlertid ikke; istedet forbliver den elektromagnetiske bølge ved samme intensitet. Med andre ord indeholder pulsen i det frie rum 50.000 fotoner, men den langsomme puls indeholder 1/400 del af en foton (faktoren 20 millioner igen). Hvad er der sket med alle de andre fotoner og deres energi? Noget af den energi går ind i natrium atomerne, men det meste af den overføres til koblingslaserstrålen. Vi har overvåget koblingslaserens intensitet for at observere denne energioverførsel direkte.
Disse overførsler af energi ændrer også natriumatomernes tilstande, hvor pulsen passerer. Ved pulsens forkant ændres atomerne fra deres oprindelige tilstand 1 til en superposition af tilstandene 1 og 2, den mørke tilstand, som vi diskuterede ovenfor. Den mørke tilstand har den største del af tilstand 2 i den midterste, mest intense del af pulsen. Når bagenden af den langsomme puls forlader et område atomer, skifter atomerne tilbage til tilstand 1. Mønstret af mørke tilstande i skyen efterligner formen af den sammenpressede langsomt-lys puls og ledsager den gennem gassen som en bølge. Når denne bølge og lyspulsen når enden af gasskyen, suger lyspulsen energi tilbage ud af atomerne og koblingsstrålen for at styrte væk gennem luften med dens sædvanlige 300.000 kilometer i sekundet, gendannet til sin oprindelige kilometerlængde. Det langsomme lys’ hastighed afhænger af adskillige parametre. Nogle af parametrene er faste når vi en gang vælger arten af vore atomer og hvilke exciterede tilstande, vi bruger, men to af variablerne er under vor kontrol: atomskyens tæthed og koblingslaserstrålens intensitet. Forøgelse af skyens tæthed mindsker lysets hastighed, men der er grænser for, hvor langt vi kan gå ad den vej, delvist fordi meget tætte skyer lækker atomer ud af den magnetiske fælde for hurtigt. Pulsens hastighed reduceres også, hvis koblingslaserstrålen er svagere. Hvis koblingslaseren er for svag, vil skyen selvfølgelig ikke være gennemsigtig og den vil absorbere pulsen. Ikke desto mindre har vi et trick, der lader os opnå det bedste i opbremsning uden at tabe pulsen til absorption: vi slukker koblingslaserstrålen, mens den sammenpressede, opbremsede puls er midt i gassen. Som reaktion herpå standser lyspulsen brat og slukkes. Men den information, der var i lyset, går ikke tabt. Den information var allerede påtrykt atomernes tilstande og når pulsen standser, fryses den påtrykning helt enkelt på stedet noget lignende en lyd, der optages på magnetbånd. Processen med standsning sammenpresser ikke mønstret af tilstande, fordi det hele bremser op samtidigt, ulig det tidligere trin hvori pulsen gradvist gik ind i gassen. Det frosne mønster, som er påtrykt atomerne, indeholder al information om den oprindelige lyspuls. For eksempel relaterer forholdet mellem tilstandende 1 og 2 sig til pulsens intensitet på hvert sted. Vi har faktisk et hologram af pulsen skrevet i atomernes gas. Dette hologram udlæses ved igen at tænde for koblingslaseren. Som ved magi dukker lyspulsen op igen og starter i slow motion igen sammen med bølgen af atomtilstande, som om intet havde afbrudt den. Vi kan opbevare lyset i op til et millisekund, længe nok til at en puls kan bevæge sig 300 kilometer i luft. Pulsen bliver forringet jo længere den opbevares: atomerne i gassen bevæger sig stadig omkring, hvilket forårsager, at mønsteret af mørke tilstande spredes langsomt. Desuden kan kollisioner mellem atomer forstyrre superpositionstilstandene. Efter et millisekund er den resulterende output puls tydeligt svagere end originalen. Vi kan også spille nogle tricks. Hvis koblingsstrålen for eksempel tændes ved en højere intensitet vil output pulsen være lysere, men kortere. Hvis koblingsstrålen tændes og slukkes hurtigt adskillige gange, gendannes pulsen i adskillige stykker. Sådanne manipulationer demonstrerer graden af kontrol, vi har over vore opbevarede pulser og kan blive nyttige i fremtidige eksperimenter og anvendelser.
Vejledning i at stoppe lys
Processen med opbremsning og standsning af lys åbner for mange interessante eksperimenter. For eksempel kunne vi sende en lyspuls gennem et Bose-Einstein kondensat med lyshastigheden justeret til at passe med lydens hastighed i kondensatet (omkring en centimeter i sekundet). Atomer fra kondensatet ville surfe afsted sammen med lyspulsen og starte svingninger af hele kondensatet. Dette ville være en helt ny måde at studere kondensaters superflydende egenskaber på. Kondensater kan også frembringes i en hvirveltilstand, hvori gassen roterer næsten som vand, der løber ned i nedløbet. En puls af langsomt lys, der bevæger sig gennem en hvirvel, ville blive trukket med af gassen – meget lig et fænomen, som forventes at finde sted nær sorte huller. Med langsomt lys kan vi studere dette og nogle andre sort-hul fænomener i laboratoriet. Langsomt lys muliggør også en ny slags ikke-lineær optik, som især forekommer, når en laserstråle ændrer en anden stråles egenskaber. Ikke-lineær optik er et enormt forskningsfelt, som både er af fundamental interesse og har anvendelser fra billeddannelse til telekommunikation. Ekstremt intense stråler behøves sædvanligvis for at opnå ikke-lineære virkninger, men med langsomt lys kan de tilsvarende fænomener frembringes med et lille antal fotoner. Sådanne virkninger kunne være nyttige til at skabe ultrafølsomme optiske kontakter. En anden anvendelse for langsomt og stoppet lys kunne være kvantecomputere, i hvilke de sædvanlige bestemte 1’er og 0’er erstattes af kvantesuperpositioner af 1’er og 0’er kaldet qubits. Hvis sådanne computere kan bygges vil de kunne løse visse opgaver, der ville tage en almindelig computer enormt lang tid. Der findes to brede kategorier af qubits: de, der bliver på et sted og nemt vekselvirker med hinanden (som atomers kvantetilstande) og de, der bevæger sig hurtigt fra sted til sted (fotoner) men er vanskelige at få til at vekselvirke på de måder, der behøves i en kvantecomputer. Systemet med langsomt lys giver, ved at omdanne flyvende fotoner til stationære mørk-tilstand mønstre og tilbage, en robust måde at omforme mellem disse typer qubits, en proces, der kunne være essentiel til bygning af kvantecomputere i stor skala. Vi kan forestille os at påtrykke to pulser i den samme sky, tillade atomerne at vekselvirke og så udlæse resultatet ved at frembringe ny output lyspulser. Selv hvis frosset lys ikke viser sig at være den mest bekvemme og alsidige komponent til bygning af en kvantecomputer, har det åbnet op for mere end nok forskningsanvendelser til at holde os – og andre grupper – travle i mange flere hele-natten forestillinger i de kommende år.
Mere at udforske
Electromagnetically Induced Transparancy. Stephen E. Harris i Physics Today, Vol. 50, No. 7, siderne 36-42; juli 1997.
The Bose-Einstein Condensate. Eric A. Cornell og Carl E. Wieman i Scientific American, Vol. 281, No. 3, siderne 40-45; marts 1998.
Light Speed Reduction to 17 meters per Second in an Ultracold Atomic Gas. Lene Vestergaard Hau, S.E. Harris, Zachary Dutton og Cyrus H. Behroozi i Nature, Vol. 397, siderne 594-598, 18. februar 1999.
Observation of Coherent Optical Information Storage in an Atomic Medium Using Halted Light Pulses. Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi og Lene Vestergaard Hau i Nature, Vol. 409, siderne 490-493; 25. januar 2001.
* Lene Vestergaard Hau er Gordon McKay Professor of Applied Physics og professor i fysik på Harvard University og leder Atom Cooling Group på Rowland Institute for Science i Cambridge, Mass., hvor eksperimenterne beskrevet i denne artikel blev udført. Hun modtog sin Ph.D. i teoretisk faststoffysik fra University of Aarhus i Danmark. Forfatteren ønsker at takke det vidunderlige Rowland Institute hold bestående af Zachary Dutton, Chien Liu, Cyrus H. Behroozi, Brian Bush, Christopher Slowe og Michael Budde såvel som Stephen E. Harris fra Stanford University for et yderst frugtbart samarbejde.
Fra Frozen Light, Scientific American juli 2001, siderne 66-734.
4. juni 2007
|
