Tien jaar na de suggestie dat licht dramatisch kan worden vertraagd - of zelfs gestopt - door nieuwe materialen, Ortwin Hess beoordeelt de voortgang en aanvragen.

De topsnelheid van het licht is erg snel:299, 792, 458 meter per seconde. Als het door transparante materialen gaat, zoals water of glas, het vertraagt ​​een beetje. Echter, wetenschappers denken dat door het licht in veel grotere mate te vertragen - waardoor het miljoenen keren langzamer wordt - ze het op geheel nieuwe manieren kunnen gebruiken, zoals het verzenden en opslaan van informatie of het ondervragen en controleren van afzonderlijke moleculen.

In 2007, Professor Ortwin Hess, nu Leverhulme-leerstoel in Metamaterialen in de afdeling Natuurkunde van Imperial, publiceerde een theoretische paper met zijn student Kosmas Tsakmakidis en hun medewerker Allan Boardman.

Ze suggereerden dat door het gebruik van metamaterialen - die ontworpen zijn om eigenschappen te hebben die niet in de natuur voorkomen - ze het licht kunnen vertragen, en zelfs vangen. Nutsvoorzieningen, 10 jaar later, ze hebben een recensie gepubliceerd in Wetenschap hoe dat idee heeft geleid tot nieuwe theorieën, experimenten en toepassingen.

We spraken met professor Hess over hoe langzaam licht een 'gevangen regenboog' vormt, en hoe de potentiële toepassingen zich nu uitstrekken tot magnetische opslag, lasers, biologische beeldvorming en zelfs aardbevingsschilden.

Wat is de 'gevangen regenboog' en hoe werkt het?

Het proces van het creëren van een ingesloten regenboog is afhankelijk van metamaterialen of nanoplasmonische structuren met speciale negatieve eigenschappen, omgeven door 'gewone' materialen.

Terwijl het licht door het speciale materiaal beweegt, het wordt in kleine stapjes naar achteren geduwd waar de twee materialen elkaar ontmoeten. Het is alsof je een steile helling oploopt, besneeuwde helling – elke stap die je zet, je glijdt een eindje naar beneden, uw voortgang vertragen.

Het verschil in het materiaal is dat elke keer dat het licht wordt teruggeduwd, het meer en meer vertraagt. Eventueel, als het witte licht vertraagt, zijn verschillende componenten - alle kleuren van het spectrum - stoppen op verschillende punten, het creëren van een 'gevangen regenboog'.

Sinds het oorspronkelijke idee, veel groepen hebben verschillende manieren getest om dit te laten werken. Sommige materialen zijn veranderd, maar het idee blijft hetzelfde, en heeft geleid tot een aantal interessante potentiële toepassingen.

In uw originele document suggereerde u dat het zou kunnen worden gebruikt voor gegevensoverdracht. Hoe zou dat werken?

Omdat licht heel snel reist, en is breedband - wat betekent dat het een groot deel van het spectrum bestrijkt - het kan een zeer efficiënte methode voor gegevensoverdracht zijn. Zo werken glasvezel internetverbindingen bijvoorbeeld.

Echter, om toegang te krijgen tot gegevens uit een snel bewegende stroom, we moeten het vertragen. Dit is als een auto die een snelweg verlaat:hij moet langzamer rijden als hij de kruising nadert. Dit proces wordt bufferen genoemd.

Momenteel, om lichtsignalen te vertragen, we moeten ze omzetten in elektrische pulsen, en zet ze vervolgens weer in het licht zodra ze zijn geopend, om de oorspronkelijke gegevens terug te krijgen. Door het licht zelf te vertragen, in plaats van het te converteren, dit proces zou veel efficiënter zijn. We zouden licht ook veel breder kunnen gebruiken voor het verzenden van gegevens over een breed spectrum.

Hoe gebruik je langzaam en gestopt licht in je onderzoek?

Een manier waarop langzaam licht nuttig is, is om de interactie tussen licht en materie te vergroten. Vaak, omdat licht zo snel reist, het heeft niet veel interactie met materie. Door het te vertragen, we kunnen deze interacties sterker maken, materie op nieuwe manieren manipuleren.

Bijvoorbeeld, dit hebben we onlangs gerealiseerd in samenwerking met de University of Cambridge. We hielden een molecuul en een foton - een lichtdeeltje - in een kleine val, zodat hun eigenschappen gemengd zijn.

Mijn team is ook geïnteresseerd in stoplichtlasers. Lasers zijn versterkte lichtbronnen op bepaalde golflengten, die kan worden gefocusseerd in een straal en over lange afstanden kan worden verzonden zonder de focus te verliezen, zoals een traditionele fakkel doet.

Lasers worden gemaakt door energie in elektronische toestanden te pompen, bijvoorbeeld moleculen, waardoor ze fotonen uitzenden wanneer ze terug ontspannen naar lagere energieën. Deze fotonen worden vervolgens rondgekaatst in een besloten ruimte, het stimuleren van meer actieve moleculen om synchroon fotonen af ​​te geven, totdat er een hoogenergetische straal ontstaat.

Licht stoppen zou meer beperkte interacties tussen actieve moleculen en fotonen mogelijk maken, mogelijk waardoor lasers gemakkelijker en meer lokaal kunnen worden gevormd, zonder in een ruimte te stuiteren.

Aangezien je het idee voorstelde, mensen hebben veel innovatieve toepassingen gesuggereerd. Kun je ons iets vertellen over een aantal hiervan?

theoretisch, de interessante toepassingen voor ons hebben te maken met het onderzoeken van het kwantumgedrag van materie en pakketten gestopt of ultraslow licht.

Een interessant praktijkvoorbeeld is het geleiden van licht naar een kleine plek om zo op microscopisch kleine schaaltjes zeer lokale verwarming te creëren. Een belangrijke toepassing hiervan is het verbeteren van magnetische opslag - het soort waarop de harde schijf van uw computer draait.

Magnetische opslag vereist de vorming van kleine magnetische velden, maar op dit moment zijn deze velden zo klein als ze kunnen krijgen, beperken hoe klein we de opslagapparaten kunnen maken. Door het licht in een extreem kleine ruimte te vertragen, we kunnen de intensiteit ervan verhogen. Dit veroorzaakt op zeer kleine schaal verwarming, het creëren van miniatuur magnetische velden die betekenen dat we de opslagdichtheid kunnen vergroten of de grootte van apparaten kunnen verkleinen.

Een andere mogelijke toepassing is de biomedische beeldvorming. Om sommige biologische materialen in beeld te brengen, de intensiteit van het laserlicht moet worden verhoogd, maar dit kan het monster vernietigen. Door het licht te vertragen, we kunnen het langer laten interageren met het monster zonder het te beschadigen.

Het 'gevangen regenboog'-concept van vertragende golven is echter niet alleen op licht toegepast. Het werkt ook voor elektronen. En een heel innovatief idee, daadwerkelijk wordt getest door een team met inbegrip van Imperial-onderzoekers, is het vertragen van seismische golven. Door grootschalige structuren in metamateriaal-stijl in de grond te snijden, of zelfs in bomen, ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om seismische golven de grond in te sturen, gebouwen beschermen tegen aardbevingen.