Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 15 – vyšlo 14. dubna, ročník 1 (2003) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

15/2003

Zpomalení a zastavení světla

Petr Kulhánek

Třem nezávislým skupinám vědců se podařilo v prostředí se silnou disperzí výrazně zpomalit světlo. Nejprve na rychlost jedoucího cyklisty, poté chodce a nakonec na krátký okamžik světlo úplně zastavit. Tyto neuvěřitelné experimenty určitě vejdou do historie a budou mít hluboký filosofický i aplikační dopad.

 

Autoři prvních dvou experimentů:
Nalevo L. V. Hau, napravo R. L. Walsworth

Rychlost světelného pulsu v prostředí

Světelný puls si můžeme představit jako balík složený z vln mnoha blízkých frekvencí, který se šíří prostředím tzv. grupovou rychlostí. Ta musí být vždy menší než je rychlost světla ve vakuu. Je-li index lomu závislý na frekvenci, šíří se různé vlnové délky (frekvence) zastoupené v pulsu různou rychlostí a puls mění svůj tvar. Tento jev se nazývá disperze. Sama grupová rychlost má v prostředí s disperzí hodnotu

v_g = c / (n + ω dn/dω)

a lze ji snížit pomocí obou dvou členů ve jmenovateli: buď v prostředí s velkým indexem lomu nebo s indexem lomu silně závislém na frekvenci.

Poznámka: Matematicky vybavený čtenář si uvedený vztah snadno odvodí okamžitě z definice indexu lomu n = c/v,kterou přepíše pomocí výrazu pro fázovou rychlost v = ω/k na tvar n(ω)ω = ck, a diferencuje. Grupová rychlost je ve výsledku prezentována členem dω/dk.

V běžných látkách index lomu nepřesahuje hodnotu 3 (například v diamantu je 2.5) a rychlost světla se pomocí vysokého indexu lomu výrazně nesníží. Lze však připravit prostředí s vysokou disperzí, ve kterých dojde k značnému zpomalení pohybu světelného pulsu. Vynikajícím prostředím pro tento účel je například silně ochlazený tříhladinový atomární systém.

Jev EIT – elektromagneticky indukovaná průhlednost

Představme si oblak atomů, jejichž obaly mají dvě blízké energetické hladiny 1 a 2 (vzniklé například rozštěpením základního stavu) a jednu hladinu vzdálenější 3 (například první excitovaný stav). Vyšleme-li tímto prostředím laserový puls o nosné frekvenci ω₀ dané přechodem ze základního stavu 1 do excitovaného stavu 3, neměl by puls prostředím vůbec procházet. Puls bude pohlcován elektrony atomárních obalů, ty budou excitovány do vyššího energetického stavu a později vyzáří fotony náhodným směrem. Prostředí tedy bude pro laserový puls neprůhledné.

Situace se změní, jestliže prostředím ve stejnou dobu bude procházet ještě jeden pomocný, tzv. řídící puls s frekvencí ω_k danou přechodem mezi stavy 2 a 3. Oba dva pulsy budou mít snahu převádět elektrony do stavu 3. V důsledku kvantových interferenčních jevů dojde k vyrušení kvantových pravděpodobností přechodu do stavu 3 a prostředí bude pro světlo průhledné. Jev se nazývá elektromagneticky indukovaná průhlednost (EIT - Electromagnetically Induced Transparency). Nastane-li jev EIT, je koeficient propustnosti velmi vysoký jen v těsném okolí základní frekvence. V okolí této frekvence se prudce mění index lomu, prostředí je silně disperzní (viz Obr. 1).

Obr. 1: Na horním obrázku vidíme propustnost prostředí pro laserový puls při jevu EIT, na dolním obrázku odpovídající index lomu. Na vodorovné ose je odchylka od základní frekvence
5.1×10⁸ MHz sledovaného pulsu.

Poznámka: Z kvantového hlediska jde o tříhladinový systém se dvěma laserovými poli, ve kterém existují tři stacionární stavy. Jeden z nich je koherentní kombinací (s přesně danými koeficienty) atomárních stavů 1 a 2. Elektrony jsou v obou dolních stavech, nikoli ve stavu excitovaném a laserová pole na ně dále nepůsobí. Proto se tomuto stavu říká temný stav (dark state). Ostatní dva stavy se nazývají světlé (bright) a obsahují již kombinace i s excitovaným stavem 3. Jev byl poprvé pozorován v roce 1976.

Zpomalení světla

Pohybuje-li se světelný puls spolu s řídícím pulsem při jevu EIT tříhladinovým prostředím, které je v temném stavu (elektrony jsou v dolních dvou hladinách), je interferencí znemožněna absorpce světelných kvant na třetí energetickou hladinu v atomárním obalu. Prostředí je průhledné a jeví mimořádně silnou disperzi, grupová rychlost šíření laserového pulsu je velmi malá. U pulsu vstupujícího do prostředí se nejprve zpomaluje čelo pulsu. Puls je tak prostorově stlačován v poměru  v_g/c. Z pulsu, který by ve vakuu měl rozměry kilometrové se stane puls o rozměrech několik setin milimetru. V roce 1999 se podařilo touto technologií zpomalit světlo na pouhých 17 m/s.

Zastavení světla

Průchod světelného pulsu prostředím je umožňován existencí řídícího pulsu. Pokud řídící puls vypneme, sledovaný puls se přestane prostředím pohybovat, grupová rychlost jde k nule. Informace o tvaru sledovaného pulsu však není ztracena! Je zakódována do spinové struktury prostředí, ve kterém bylo světlo zastaveno. Jakmile obnovíme řídící puls, sledovaný puls se opět objeví a v nezměněném tvaru pokračuje ve své cestě. Řídícím pulsem můžeme ovlivnit rychlost chodu sledovaného pulsu prostředím.

Obr. 2: Experiment s rubidiovými parami: a) laserový puls vstupuje do prostředí s EIT. b) čelo pulsu se zpomaluje a současně formuje spinovou strukturu par. c) pomalu se pohybující puls ovlivňovaný řídícím pulsem. d) řídící puls je vypnut, pohyb světla se zastavuje, v látce zůstává spinový otisk světla.

Světlo bylo poprvé zastaveno v roce 2001, informace o světle byla uložena do prostředí, ve kterém se světlo pohybovalo a po zhruba jedné milisekundě byl obnoven řídící puls a s ním i sledovaný puls.

Základní experiment

První experimenty byly provedeny Dr. Lene Vestergaard Hauovou z Harvardské university a Rowlandova ústavu v Cambridgi (Massachussetts). Sodíkové atomy byly ochlazeny na teplotu několika desítek mikrokelvinů a poté drženy magnetickým polem ve speciální vakuové komoře. Samotný oblak sodíkových atomů byl sledován zobrazovacím laserem, stín obláčku dopadal na CCD kameru. Tvar sledovaného pulsu byl monitorován fotonásobičem a CCD kamerou. Pomocný řídící puls umožňující průchod sledovaného pulsu byl orientován kolmo.

Obr. 3: Experiment se sodíkovými atomy
uskutečněný L. V. Hauovou

Tři potřebné energetické stavy odpovídaly základnímu stavu sodíku (rozštěpenému na dva interakcí magnetického momentu valenčního elektronu s jádrem) a prvnímu excitovanému stavu.

Další experimenty

Obdobný experiment na parách atomů rubidia provedl ve stejné době nezávisle Dr. Ronald L. Walsworth z Harvardské university při relativně vysoké teplotě (70÷90)°C. Po zastavení pulsu byl jeho otisk přítomen jen v spinové struktuře par rubidia (Obr. 2). Řídící puls byl obnoven po 0.5 ms a s ním se objevil i sledovaný puls. Jako energetické hladiny 1 a 2 byla použita hladina 5S_1/2 rozštěpená vnějším magnetickým polem na dvě a jako třetí hladina posloužil stav 5P_1/2.

Třetí obdobný experiment byl proveden A. V. Turukhinem v roce 2002 v pevné látce. Šlo o krystaly křemičitanu yttritého (Y₂SiO₅)  dopovaného praseodynem za teploty 5 K. Poprvé se tak podařilo zastavit světlo i v pevné látce.

Aplikace

Současný bouřlivý rozmach optických komunikací trpí nutností optické signály převádět před dalším zpracováním na elektrické. Možnost na chvíli světlo zaznamenat do spinové struktury látky a poté ho řízeně opět uvolnit může přinést fantastický rozmach optických komunikací. Využití zejména ve výpočetní technice může být obrovské. Zpomalení světla v silně disperzním prostředí na rychlost chůze člověka povede jistě v brzké době k mnoha aplikacím. Zajímavé budou i reakce filosofů a pseudofilosofů, pro něž bylo světlo po staletí mýtickým a těžko uchopitelným fenoménem. Nyní ho lidstvo dokáže nejen zpomalit, ale i zastavit.

Odkazy