Hur stoppar man något som är snabbare än något annat, immateriell och alltid i rörelse av naturen? Ett team som leds av fysikerna Dr. Thorsten Peters och professor Thomas Halfmann gör det till synes omöjliga:att stoppa ljuset i små bråkdelar av en sekund. De avslutar sedan mellanlandningen med en knapptryckning och låter ljuspulsen fortsätta sin resa. Forskarna stoppar till och med enskilda ljuspartiklar.

Vad som låter som en fysisk gimmick kan vara till nytta för framtida applikationer. Så kallad kvantteknologi försöker använda bisarra effekter av kvantfysik för snabbare datorer, mer exakta sensorer och felsäker kommunikation. Fotoner, som används inom kvantteknik som informationsbärare, spelar en avgörande roll i detta.

För detta ändamål, fysiker, till exempel, kräver ljuskällor som avger individuella fotoner med en knapptryckning. För att bearbeta informationen lagrad på lätta partiklar, det skulle också vara viktigt för enskilda fotoner att interagera, vilket de inte brukar göra. I framtida kvantdatorer, fotoner måste till exempel överföra sin information till atomer och vice versa. Även för detta ändamål samspelet mellan de två typerna av partiklar måste intensifieras, vilket fotonerna som stoppas av gruppen från TU Darmstadt skulle kunna möjliggöra.

Hur fungerar detta nödstopp för ljus? Sedan en tid tillbaka har det varit möjligt att frysa fotoner och återutsända dem på kommando. Dock, medan de stoppas, fotonerna existerar inte som sådana. De slukas av ett atommoln, som sedan antar ett så kallat exciterat tillstånd och lagrar fotonen som information. Först vid mottagande av en signal ändras excitationen tillbaka till en foton, som sedan fortsätter. Forskarna i Darmstadt gör det på liknande sätt, men med en avgörande skillnad:deras fotoner är faktiskt bevarade.

Ljuset står bokstavligen stilla. Teamet använder en speciell glasfiber med en ihålig kanal i mitten med en diameter på mindre än tio tusendels millimeter. Fibern har en porös struktur runt kärnan som håller ljuset borta. Detta gör att en laserstråle koncentreras i mitten av den ihåliga kanalen. Dess tvärsnitt smalnar av till cirka en tusendels millimeter. Forskarna använder ljusstrålen som en slags fälla för atomer. De introducerar rubidiumatomer i den ihåliga fibern, som koncentreras i centrum av laserstrålen på grund av elektromagnetiska krafter. Forskarna skickar sedan de fotoner som de vill stoppa in i kanalen. På ett ungefär, fotonen stoppas helt av två extra laserstrålar som styrs in i den ihåliga fibern på båda sidor. Metaforiskt sett, dessa håller fotonerna mellan sig som två fotbollsspelare som sparkar bollen fram och tillbaka.

"Det liknar också en kammare där ljus kastas fram och tillbaka mellan två speglar, " som Thorsten Peters förklarar. "Bara utan spegel." TU-teamet är först med att lyckas bromsa fotoner i en så smal kapillär på det här sättet och det var inte lätt. Det är extremt komplicerat av en optisk egenskap känd Teamet kunde förfina sin metod genom en mödosam dubbelbrytningsanalys till den punkt där det blev möjligt att stoppa enskilda fotoner.

Men att bara stoppa ljuset självt nöjde de sig inte med. "Vårt mål, säger Peters, "var att få fotoner att interagera med atomer starkare än de normalt gör." Särskilt, det borde vara möjligt för två lätta partiklar att interagera med en atom samtidigt, som skulle producera ett användbart fenomen känt inom fysiken som olinjär optik där fotoner penetrerar ett medium, såsom en speciell kristall. När två fotoner samtidigt träffar en av atomerna i kristallen, de interagerar med varandra, som ändrar frekvensen, dvs. färgen, av ljuset. Den nya frekvensen kan till exempel, vara summan av frekvenserna för de fotoner som skickas in.

Det finns många tekniska tillämpningar för sådana effekter, till exempel i laserpekare. Metoden har en nackdel:högintensiva lasrar behövs för att garantera att tillräckligt många par fotoner träffar en atom i mediet samtidigt. "Med vår metod, å andra sidan, säger Peters, "en svag ljusintensitet kan vara tillräcklig." Detta är möjligt eftersom atomerna är begränsade till samma smala område som laserstrålen i den ihåliga fibern, på så sätt maximerar kontakten mellan ljuset och atommolnet. Därför är sannolikheten att två fotoner träffar en atom samtidigt relativt hög även när ljusintensiteten är låg. Så samma tekniska knep som gör det möjligt att stoppa fotonerna borde också skapa en ny metod för olinjär optik.

Det Darmstadt-baserade teamet har fler idéer för hur man kan tillämpa sin nya process. En av dessa involverar en omkopplingsbar källa för enstaka fotoner. En annan är att skapa en kristall gjord av fotoner. Kristaller består vanligtvis av atomer ordnade i ett absolut regelbundet rutnät, jämförbar med skiktade sfärer. Ett stort antal stoppade fotoner kan också bilda ett ordnat rutnät. "Vi skulle kunna använda det här för att simulera en solid, " säger Peters. Fasta materials fysik är ett aktivt forskningsfält. Teoretiska modeller används i forskningen för att få en bättre förståelse av dem – ofta genom datorsimuleringar. Men modellerna är så komplexa att de snabbt överväldigar datorerna. Forskare är letar därför efter andra sätt att imitera kristaller. En simulerad fast substans gjord av fotoner skulle vara ett sätt att göra detta.

"Vi fortsätter att arbeta intensivt med detta, säger Peters. Enligt fysikern, samarbete med andra forskargrupper är avgörande för framgång. Teamet uppnådde det pågående arbetet i samarbete med grupper från Taiwan och Bulgarien inom ramen för ett EU-finansierat projekt. Industripartners är också involverade i forskningsprojektet, vars mål är att utveckla innovativa teknologier för interaktion mellan ljus och materia. "Utbytet är mycket aktivt, " Peters är glad att kunna säga. Nästa framgångar kommer inte att vänta på sig.