Ett decennium från att föreslå ljus kan dramatiskt bromsas - eller till och med stoppas - av nya material, Ortwin Hess granskar framstegen och applikationerna.

Ljusets topphastighet är mycket snabb:299, 792, 458 meter per sekund. När den passerar genom genomskinliga material, som vatten eller glas, det saktar ner något. Dock, forskare tror att genom att bromsa ljuset i mycket högre grad – göra det miljontals gånger långsammare – kan de använda det på helt nya sätt, som att överföra och lagra information eller att förhöra och kontrollera enskilda molekyler.

Under 2007, Professor Ortwin Hess, nu Leverhulme professur i metamaterial vid Institutionen för fysik vid Imperial, publicerade en teoretisk uppsats med sin student Kosmas Tsakmakidis och deras medarbetare Allan Boardman.

De föreslog att de genom att använda metamaterial - de som är utformade för att ha egenskaper som inte finns i naturen - kan sakta ner ljuset, och till och med fånga den. Nu, 10 år senare, de har publicerat en recension i Vetenskap om hur den idén har lett till nya teorier, experiment och tillämpningar.

Vi pratade med professor Hess om hur långsamt ljus bildar en "fångad regnbåge", och hur de potentiella tillämpningarna nu sträcker sig till magnetisk lagring, lasrar, biologisk avbildning och till och med jordbävningssköldar.

Vad är den "fångade regnbågen" och hur fungerar den?

Processen att skapa en infångad regnbåge bygger på metamaterial eller nanoplasmoniska strukturer utrustade med speciella negativa egenskaper, omgiven av "vanliga" material.

När ljuset rör sig genom det speciella materialet, den skjuts bakåt i små steg där de två materialen möts. Det är som att gå uppför en brant, snöig sluttning - varje steg du tar, du glider tillbaka ner en liten bit, sakta ner dina framsteg.

Skillnaden i materialet är att varje gång ljuset trycks tillbaka saktar det mer och mer. Så småningom, när det vita ljuset saktar ner, dess olika komponenter - alla spektrumets färger - stannar vid olika punkter, skapa en "fångad regnbåge".

Sedan den ursprungliga idén, många grupper har testat olika sätt att få detta att fungera. Några av materialen har förändrats, men tanken förblir densamma och har lett till några intressanta potentiella applikationer.

I ditt originalpapper föreslog du att det skulle kunna användas för dataöverföring. Hur skulle det fungera?

Eftersom ljuset rör sig mycket snabbt, och är brett band - vilket betyder att det täcker en stor del av spektrumet - det kan vara en mycket effektiv metod för dataöverföring. Så här fungerar fiberoptiska internetanslutningar, till exempel.

Dock, för att komma åt data från en snabbrörlig ström, vi måste bromsa det. Det här är som en bil som lämnar en motorväg - den måste sakta ner när den närmar sig korsningen. Denna process kallas buffring.

För närvarande, för att sakta ner ljussignalerna, vi måste konvertera dem till elektriska pulser, och sedan omvandla dem till ljus när de har nåtts, för att få tillbaka originaldata. Genom att sakta ner ljuset själv, snarare än att konvertera det, denna process skulle vara mycket mer effektiv. Vi kan också använda ljus mycket bredare för att överföra data över ett brett spektrum.

Hur använder du långsamt och stoppat ljus i din forskning?

Ett sätt långsamt ljus är användbart är att öka växelverkan mellan ljus och materia. Ofta, för ljuset går så fort, det interagerar inte mycket med materia. Genom att sakta ner det, vi kan göra dessa interaktioner starkare, manipulera materia på nya sätt.

Till exempel, vi uppnådde detta nyligen i samarbete med University of Cambridge. Vi höll en molekyl och en foton - en ljuspartikel - i en liten fälla, så att deras egenskaper blandas.

Mitt team är också intresserade av stop-light-lasrar. Lasrar är förstärkta ljuskällor vid särskilda våglängder, som kan fokuseras till en stråle och sändas över långa avstånd utan att tappa fokus, som en traditionell fackla gör.

Lasrar skapas genom att pumpa energi till elektroniska tillstånd, till exempel molekyler, får dem att avge fotoner när de slappnar av till lägre energier. Dessa fotoner studsas sedan runt i ett trångt utrymme, stimulera mer aktiva molekyler att synkron frigöra foton, tills en stråle med hög energi skapas.

Att stoppa ljus skulle möjliggöra mer begränsade interaktioner mellan aktiva molekyler och fotoner, möjligen möjliggör att lasrar bildas lättare och mer lokalt, utan att studsa runt ett mellanslag.

Eftersom du föreslog idén, människor har föreslagit många innovativa tillämpningar. Kan du berätta om några av dessa?

Teoretiskt sett de intressanta tillämpningarna för oss är att undersöka kvantbeteendet hos materia och paket med stoppat eller ultralågt ljus.

Ett intressant praktiskt exempel är att styra ljuset till en liten fläck för att skapa mycket lokal uppvärmning på mikroskopiska vågar. En viktig tillämpning av detta är att förbättra magnetisk lagring – den typ som driver din dators hårddisk.

Magnetisk lagring kräver bildning av små magnetfält, men för närvarande är dessa fält så små som de kan bli, begränsa hur små vi kan göra lagringsenheterna. Genom att sakta ner ljuset i ett extremt trångt område, vi kan öka dess intensitet. Detta orsakar uppvärmning i mycket liten skala, skapa magnetiska miniatyrfält som innebär att vi kan öka lagringstätheten eller minska storleken på enheter.

En annan potentiell tillämpning är biomedicinsk avbildning. För att avbilda några biologiska material, intensiteten på laserljuset måste ökas, men detta kan förstöra provet. Genom att sakta ner ljuset, vi kan låta det interagera med provet längre utan att skada det.

Begreppet "fångad regnbåge" med att bromsa vågor har dock inte bara tillämpats på ljus. Det fungerar också för elektroner. Och en riktigt innovativ idé, faktiskt testas av ett team inklusive kejserliga forskare, saktar ner seismiska vågor. Genom att skära i stor skala metamaterial-stil strukturer i marken, eller till och med i träd, de har visat att det är möjligt att omdirigera seismiska vågor i marken, skydda strukturer från jordbävningar.