Hoe stop je iets dat sneller is dan wat dan ook, immaterieel en altijd in beweging van nature? Een team onder leiding van natuurkundigen Dr. Thorsten Peters en professor Thomas Halfmann doet het schijnbaar onmogelijke:het licht voor kleine fracties van een seconde stoppen. Vervolgens beëindigen ze de tussenstop met een druk op de knop en laten ze de lichtpuls zijn reis vervolgen. De onderzoekers stoppen zelfs individuele lichtdeeltjes.

Wat klinkt als een fysieke gimmick kan van pas komen voor toekomstige toepassingen. Zogenaamde kwantumtechnologie probeert bizarre effecten van kwantumfysica te gebruiken voor snellere computers, preciezere sensoren en bug-proof communicatie. fotonen, die in de kwantumtechnologie worden gebruikt als informatiedragers, hierin een beslissende rol spelen.

Hiertoe, natuurkundigen, bijvoorbeeld, hebben lichtbronnen nodig die met een druk op de knop individuele fotonen uitzenden. Om de informatie die op lichtdeeltjes is opgeslagen te verwerken, het zou ook belangrijk zijn voor individuele fotonen om te interageren, wat ze meestal niet doen. In toekomstige kwantumcomputers, fotonen zullen bijvoorbeeld hun informatie aan atomen moeten overdragen en vice versa. Daartoe ook de interactie tussen de twee soorten deeltjes moet worden geïntensiveerd, die de door de groep van de TU Darmstadt tegengehouden fotonen mogelijk zouden kunnen maken.

Hoe werkt deze noodstop voor licht? Sinds enige tijd is het mogelijk om fotonen te bevriezen en op commando opnieuw uit te zenden. Echter, terwijl ze worden tegengehouden, de fotonen bestaan ​​niet als zodanig. Ze worden opgeslokt door een atoomwolk, die dan een zogenaamde aangeslagen toestand aanneemt en het foton als informatie opslaat. Pas bij ontvangst van een signaal verandert de excitatie weer in een foton, die dan verder gaat. De onderzoekers in Darmstadt doen het op een vergelijkbare manier, maar met één cruciaal verschil:hun fotonen worden daadwerkelijk bewaard.

Het licht staat letterlijk stil. Het team gebruikt een speciale glasvezel met in het midden een hol kanaal met een diameter van nog geen tienduizendste millimeter. De vezel heeft een poreuze structuur rond de kern die licht op afstand houdt. Hierdoor concentreert een laserstraal zich in het midden van het holle kanaal. De doorsnede versmalt tot ongeveer een duizendste van een millimeter. De onderzoekers gebruiken de lichtstraal als een soort val voor atomen. Ze brengen atomen rubidium in de holle vezel, die zich door elektromagnetische krachten concentreren in het midden van de laserstraal. De onderzoekers sturen vervolgens de fotonen die ze willen stoppen het kanaal in. Grofweg gesproken, het foton wordt volledig tot stilstand gebracht door twee extra laserstralen die aan weerszijden in de holle vezel worden geleid. Metaforisch gesproken, deze houden de fotonen ertussen als twee voetballers die de bal heen en weer trappen.

"Het is ook vergelijkbaar met een kamer waarin licht heen en weer wordt gegooid tussen twee spiegels, Zoals Thorsten Peters uitlegt. "Gewoon zonder spiegel." Het TU-team is er als eerste in geslaagd om op deze manier fotonen in zo'n smal capillair te vertragen en dat was niet eenvoudig. Het wordt extreem gecompliceerd gemaakt door een bekende optische eigenschap Het team was in staat om hun methode te verfijnen door middel van een moeizame analyse van dubbele breking tot het punt waarop het stoppen van individuele fotonen mogelijk werd.

Maar door simpelweg het licht zelf tegen te houden, bevredigden ze zichzelf niet. "Ons doel, " zegt Pieters, "was om fotonen sterker te laten interageren met atomen dan ze normaal doen." Vooral, het moet mogelijk zijn dat twee lichte deeltjes tegelijkertijd met een atoom interageren, die een nuttig fenomeen zou produceren dat in de natuurkunde bekend staat als niet-lineaire optica waarin fotonen een medium binnendringen, zoals een speciaal kristal. Wanneer twee fotonen tegelijkertijd een van de atomen in het kristal raken, ze gaan met elkaar om, die de frequentie verandert, d.w.z., de kleur, van het licht. De nieuwe frequentie kan, bijvoorbeeld, de som zijn van de frequenties van de fotonen die worden ingestuurd.

Er zijn veel technische toepassingen voor dergelijke effecten, bijvoorbeeld in laserpointers. De methode heeft wel één nadeel:er zijn lasers met een hoge intensiteit nodig om te garanderen dat voldoende paren fotonen tegelijkertijd een atoom in het medium raken. “Met onze methode anderzijds, " zegt Pieters, "een zwakke lichtintensiteit kan voldoende zijn." Dit is mogelijk omdat de atomen zijn beperkt tot hetzelfde smalle gebied als de laserstraal in de holle vezel, waardoor het contact tussen het licht en de atomaire wolk wordt gemaximaliseerd. Daarom is de kans dat twee fotonen tegelijkertijd een atoom raken relatief hoog, zelfs als de lichtintensiteit laag is. Dus dezelfde technische truc die het mogelijk maakt om de fotonen te stoppen, zou ook een nieuwe methode voor niet-lineaire optica moeten creëren.

Het team uit Darmstadt heeft meer ideeën om zijn nieuwe proces toe te passen. Een daarvan betreft een schakelbare bron voor losse fotonen. Een andere is het maken van een kristal gemaakt van fotonen. Kristallen bestaan ​​meestal uit atomen die in een absoluut regelmatig raster zijn gerangschikt, vergelijkbaar met gelaagde bollen. Een groot aantal gestopte fotonen zou ook een geordend raster kunnen vormen. "We zouden dit kunnen gebruiken om een ​​solide, ", zegt Peters. De fysica van vaste materialen is een actief onderzoeksgebied. Bij onderzoek worden theoretische modellen gebruikt om ze beter te begrijpen, vaak door middel van computersimulaties. Maar de modellen zijn zo complex dat ze de computers al snel overweldigen. Onderzoekers zijn daarom op zoek naar andere manieren om kristallen te imiteren.Een gesimuleerde vaste stof gemaakt van fotonen zou een manier zijn om dit te doen.

“We blijven hier intensief aan werken, " zegt Peters. Volgens de natuurkundige samenwerking met andere onderzoeksgroepen is cruciaal voor succes. Het team bereikte het huidige werk in samenwerking met groepen uit Taiwan en Bulgarije in het kader van een door de EU gefinancierd project. Bij het onderzoeksproject zijn ook industriële partners betrokken, wiens doel het is om innovatieve technologieën te ontwikkelen voor de interactie van licht met materie. "De uitwisseling is erg actief, Peters is verheugd te kunnen zeggen. De volgende successen laten niet lang op zich wachten.