En pause -knap til lette partikler

Hvordan stopper man noget, der er hurtigere end noget andet, immateriel og altid i bevægelse af natur? Et team ledet af fysikerne Dr. Thorsten Peters og professor Thomas Halfmann gør det tilsyneladende umulige:at stoppe lyset i små brøkdele af et sekund. De afslutter derefter mellemlandingen med et tryk på en knap, der lader lyspulsen fortsætte sin rejse. Forskerne stopper endda individuelle lyspartikler.

Hvad der lyder som en fysisk gimmick, kan være nyttig til fremtidige applikationer. Såkaldt kvanteteknologi forsøger at bruge bizarre effekter af kvantefysik til hurtigere computere, mere præcise sensorer og fejlsikret kommunikation. Fotoner, som bruges i kvante -teknologi som informationsbærere, spiller en afgørende rolle heri.

Til denne ende, fysikere, for eksempel, kræver lyskilder, der udsender individuelle fotoner med et tryk på en knap. For at behandle de oplysninger, der er gemt på lyspartikler, det ville også være vigtigt for de enkelte fotoner at interagere, hvilket de normalt ikke gør. I fremtidige kvantecomputere, fotoner bliver f.eks. nødt til at overføre deres oplysninger til atomer og omvendt. Også til dette formål interaktionen mellem de to typer partikler skal intensiveres, som fotoner stoppet af gruppen fra TU Darmstadt kunne muliggøre.

Hvordan stopper denne nødsituation ved let arbejde? I nogen tid har det været muligt at fryse fotoner og genudsende dem på kommando. Imidlertid, mens de stoppes, fotonerne eksisterer ikke som sådan. De sluges af en atomsky, som derefter antager en såkaldt ophidset tilstand og gemmer fotonet som information. Først efter modtagelse af et signal ændres excitationen tilbage til en foton, som derefter fortsætter. Forskerne i Darmstadt gør det på en lignende måde, men med en afgørende forskel:deres fotoner er faktisk bevaret.

Lyset står bogstaveligt talt stille. Teamet bruger en særlig glasfiber med en hul kanal i midten med en diameter på mindre end ti tusindedele af en millimeter. Fiberen har en porøs struktur omkring kernen, der holder lyset i skak. Dette får en laserstråle til at koncentrere sig i midten af ​​den hule kanal. Dens tværsnit indsnævres til omkring en tusindedel af en millimeter. Forskerne bruger lysstrålen som en slags fælde for atomer. De introducerer atomer af rubidium i hule fibre, som koncentreres i midten af ​​laserstrålen på grund af elektromagnetiske kræfter. Forskerne sender derefter de fotoner, de vil stoppe, ind i kanalen. Groft sagt, fotonet standses fuldstændigt af to yderligere laserstråler, der føres ind i hulfiberen på begge sider. Metaforisk set, disse holder fotoner mellem dem som to fodboldspillere, der sparker bolden frem og tilbage.

"Det ligner også et kammer, hvor lys kastes frem og tilbage mellem to spejle, "som Thorsten Peters forklarer." Bare uden et spejl. "TU-teamet er det første til at lykkes med at bremse fotoner i en så smal kapillær på denne måde, og det var ikke let. Det gøres ekstremt kompliceret af en kendt optisk egenskab Holdet var i stand til at forfine deres metode gennem en besværlig dobbeltbrydningsanalyse til det punkt, hvor det blev muligt at stoppe individuelle fotoner.

Men blot ved at stoppe selve lyset tilfredsstilte de ikke sig selv. "Vores mål, "siger Peters, "skulle få fotoner til at interagere med atomer stærkere, end de normalt gør." I særdeleshed, det burde være muligt for to lyspartikler at interagere med et atom på samme tid, som ville frembringe et nyttigt fænomen kendt i fysikken som ikke -lineær optik, hvor fotoner trænger ind i et medium, såsom en særlig krystal. Når to fotoner samtidigt rammer et af atomerne i krystallen, de interagerer med hinanden, som ændrer frekvensen, dvs. farven, af lyset. Den nye frekvens kunne for eksempel, være summen af ​​frekvenserne af de fotoner, der sendes ind.

Der er mange tekniske applikationer til sådanne effekter, for eksempel i laserpointer. Metoden har en ulempe:højintensitetslasere er nødvendige for at sikre, at nok par fotoner rammer et atom i mediet samtidigt. "Med vores metode, på den anden side, "siger Peters, "En svag lysintensitet kan være tilstrækkelig." Dette er muligt, fordi atomerne er begrænset til det samme smalle område som laserstrålen inden i den hule fiber, og dermed maksimere kontakten mellem lyset og atomskyen. Derfor er sandsynligheden for, at to fotoner rammer et atom samtidigt relativt høj, selv når lysintensiteten er lav. Så det samme tekniske trick, der gør det muligt at stoppe fotonerne, bør også skabe en ny metode til ikke -lineær optik.

Det Darmstadt-baserede team har flere ideer til, hvordan han kan anvende sin nye proces. En af disse involverer en omskiftelig kilde til enkelte fotoner. En anden er at skabe en krystal lavet af fotoner. Krystaller består normalt af atomer arrangeret i et helt almindeligt gitter, kan sammenlignes med lagkugler. Et stort antal stoppede fotoner kunne også danne et bestilt gitter. "Vi kunne bruge dette til at simulere et solidt, "siger Peters. Fysikken i faste materialer er et aktivt forskningsfelt. Teoretiske modeller bruges i forskningen for at få en bedre forståelse af dem - ofte gennem computersimuleringer. Men modellerne er så komplekse, at de hurtigt overvælder computerne. Forskere er derfor på udkig efter andre måder at efterligne krystaller på. Et simuleret fast stof fremstillet af fotoner ville være en måde at gøre dette på.

"Vi fortsætter med at arbejde intensivt med dette, "siger Peters. Ifølge fysikeren, samarbejde med andre forskningsgrupper er afgørende for succes. Teamet opnåede det nuværende arbejde i samarbejde med grupper fra Taiwan og Bulgarien inden for rammerne af et EU-finansieret projekt. Industripartnere er også involveret i forskningsprojektet, hvis mål er at udvikle innovative teknologier til samspil mellem lys og stof. "Udvekslingen er meget aktiv, "Peters er glad for at kunne sige. De næste succeser vil ikke vente længe.