10 år med den fangede regnbue - revolutionen med langsomt lys

Et årti fra at foreslå lys kan dramatisk sænkes - eller endda stoppes - af nye materialer, Ortwin Hess gennemgår fremskridt og applikationer.

Lysets tophastighed er meget hurtig:299, 792, 458 meter i sekundet. Når det passerer gennem gennemsigtige materialer, som vand eller glas, det bremser lidt. Imidlertid, forskere mener, at ved at bremse lyset i langt større grad - hvilket gør det millioner af gange langsommere - kunne de bruge det på helt nye måder, såsom at transmittere og gemme information eller for at forhøre og kontrollere enkelte molekyler.

I 2007, Professor Ortwin Hess, nu Leverhulme -formand i metamaterialer i Institut for Fysik på Imperial, udgav et teoretisk oplæg med sin elev Kosmas Tsakmakidis og deres samarbejdspartner Allan Boardman.

De foreslog, at de ved at bruge metamaterialer - dem, der er designet til at have egenskaber, der ikke findes i naturen - kan bremse lyset, og endda fange det. Nu, 10 år efter, de har offentliggjort en anmeldelse i Videnskab om, hvordan den idé har ført til nye teorier, eksperimenter og applikationer.

Vi talte med professor Hess om, hvor langsomt lys danner en 'fanget regnbue', og hvordan de potentielle applikationer nu strækker sig til magnetisk lagring, lasere, biologisk billeddannelse og endda jordskælvsskærme.

Hvad er den 'fangede regnbue', og hvordan fungerer det?

Processen med at skabe en fanget regnbue er afhængig af metamaterialer eller nanoplasmoniske strukturer udstyret med særlige negative egenskaber, omgivet af 'normale' materialer.

Når lyset bevæger sig gennem det specielle materiale, den skubbes baglæns i små trin, hvor de to materialer mødes. Det er som at gå op ad en stejl, sneklædt skråning - hvert trin du tager, du glider lidt ned igen bremse dine fremskridt.

Forskellen i materialet er, at hver gang lyset skubbes tilbage, sænkes det mere og mere. Til sidst, som det hvide lys bremser, dets forskellige komponenter - alle spektrets farver - stopper på forskellige punkter, skabe en 'fanget regnbue'.

Siden den oprindelige idé, mange grupper har testet forskellige måder at få dette til at fungere. Nogle af materialerne er ændret, men tanken forbliver den samme, og har ført til nogle interessante potentielle applikationer.

I dit originale papir foreslog du, at det kunne bruges til dataoverførsel. Hvordan ville det fungere?

Da lyset bevæger sig meget hurtigt, og er bredbåndet - hvilket betyder, at det dækker en bred del af spektret - det kan være en meget effektiv metode til dataoverførsel. Sådan fungerer fiberoptiske internetforbindelser, for eksempel.

Imidlertid, for at få adgang til data fra en strøm i hurtig bevægelse, vi skal bremse det. Dette er som en bil, der forlader en motorvej - den skal sænke farten, når den nærmer sig krydset. Denne proces kaldes buffering.

I øjeblikket, at bremse lyssignaler, vi skal konvertere dem til elektriske impulser, og derefter omdanne dem til lys, når de har fået adgang, for at få de originale data tilbage. Ved at bremse lyset selv, frem for at konvertere det, denne proces ville være meget mere effektiv. Vi kunne også bruge lys meget bredere til at overføre data på tværs af et bredt spektrum.

Hvordan bruger du langsomt og stoppet lys i din forskning?

En måde langsomt lys er nyttigt, er ved at øge interaktioner mellem lys og stof. Tit, fordi lyset bevæger sig så hurtigt, det interagerer ikke meget med stof. Ved at bremse det, vi kan gøre disse interaktioner stærkere, manipulere stof på nye måder.

For eksempel, vi opnåede dette for nylig i samarbejde med University of Cambridge. Vi holdt et molekyle og en foton - en lyspartikel - i en lille fælde, så deres egenskaber blandes.

Mit team er også interesseret i stop-light lasere. Lasere er forstærkede lyskilder ved bestemte bølgelængder, som kan fokuseres i en stråle og transmitteres over lange afstande uden at miste fokus, som en traditionel fakkel gør.

Lasere skabes ved at pumpe energi ind i elektroniske tilstande, for eksempel molekyler, får dem til at udsende fotoner, når de slapper tilbage til lavere energier. Disse fotoner hopper derefter rundt i et begrænset rum, stimulere mere aktive molekyler til synkront at frigive fotoner, indtil der oprettes en højenergistråle.

Standsning af lys ville muliggøre mere begrænsede interaktioner mellem aktive molekyler og fotoner, muligvis muliggøre lettere dannelse af lasere og mere lokalt, uden at hoppe rundt i et mellemrum.

Siden du foreslog ideen, mennesker har foreslået mange innovative applikationer. Kan du fortælle os om nogle af disse?

Teoretisk set de interessante applikationer for os har at gøre med at undersøge kvanteadfærd af stof og pakker med stoppet eller ultralavt lys.

Et interessant praktisk eksempel er at lede lys til et lille sted for at skabe meget lokal opvarmning på mikroskopiske skalaer. En vigtig anvendelse af dette er at forbedre magnetisk lagring - den slags, der kører din computers harddisk.

Magnetisk lagring kræver dannelse af små magnetiske felter, men i øjeblikket er disse felter så små, som de kan blive, begrænser, hvor små vi kan lave lagerenheder. Ved at bremse lyset i et ekstremt begrænset område, vi kan øge dens intensitet. Dette forårsager opvarmning i meget lille skala, skabe miniaturemagnetfelter, der betyder, at vi kan øge lagertætheden eller reducere størrelsen på enheder.

En anden potentiel anvendelse er inden for biomedicinsk billeddannelse. For at se nogle biologiske materialer, laserlysets intensitet skal øges, men dette kan ødelægge prøven. Ved at bremse lyset, vi kan tillade, at den interagerer længere med prøven uden at beskadige den.

Begrebet 'fanget-regnbue' med at bremse bølger er dog ikke kun blevet anvendt på lys. Det fungerer også for elektroner. Og en virkelig innovativ idé, faktisk testet af et team inklusive kejserlige forskere, bremser seismiske bølger. Ved at skære strukturer i stor stil i metamaterialestil i jorden, eller endda ind i træer, de har vist, at det er muligt at omdirigere seismiske bølger til jorden, beskyttelse af strukturer mod jordskælv.