Lichtstraal wordt materie en weer lichtstraal /3 reacties

Lichtstraal wordt materie en weer lichtstraal

Het is nu mogelijk om een lichtstraal te vangen in een wolk atomen, om die atomen vervolgens te verplaatsen en daarna de lichtstraal weer te voorschijn te halen. Door gebruik te maken van eigenschappen van atomen en fotonen onder de laagst mogelijke temperaturen verdwijnt de grens tussen licht en massa. In het tijdschrift nature van 8 februari 2007 werd de ontdekking wereldkundig gemaakt.

Toepassingen

Als het wetenschappers lukt om dit principe groter en over langere afstanden toe te passen zijn de mogelijkheden legio.

Informatie snel versturen per licht en tussendoor makkelijk opslaan in massa.

Quantumcomputers die hiermee werken kunnen veel meer aan dan gewone computers. Ook de conventionele optische telecommunicatie kan profiteren van de omzettingen van informatie in lichtstralen en in massa. Licht is goed om informatie snel over grote afstand te brengen. Het is een communicatiedrager bij uitstek in de ruimte. Materie is goed te manipuleren en om data in op te slaan.
Het onderzoek wordt dan ook gefinancierd door onder meer de NASA.

De professor van de koude atomen

professor Lene Vestergaard HauHet tevoorschijn toveren van licht wordt gedaan, keer op keer, door de natuurkundige Lene Vestergaard Hau en haar team op de Harvard universiteit in Massachussetts. En er komt geen gegoochel bij kijken, alleen de schoonheid van quantummechanica.

In haar lab hebben ze twee wolken gas van elk zo’n 2 miljoen natriumatomen. Deze wolken worden extreem afgekoeld met behulp van lasers. Tot een paar miljoenste graad boven het absolute nulpunt, -273,15 graden Celsius. Daardoor gaan de gasatomen zich anders gedragen, ze gaan dichter op elkaar zitten en bewegen bijna niet meer.
Door de eerste wolk wordt een lichtstraal gestuurd. De wolk remt de lichtstraal af tot hij helemaal stopt en verdwijnt. Maar er blijft een ‘herinnering’ hangen in de natriumatomen.

Sommige natriumatomen worden naar een tweede wolk gas overgeheveld en aangeraakt met een tweede laserstraal. Dit activeert de ‘herinnering’ aan de lichtstraal die weer tevoorschijn komt, maar wel zwakker, in de tweede gaswolk.

De ‘boodschap’-atomen die tussen de twee wolken bewegen zijn in weze een materiele copie zijn van de oorspronkelijk lichtbundel, zegt Vestergaard-Hau in een filmpje van de universiteit Harvard.

Waarom het werkt

Het experiment werkt omdat in de quantummechanica atomen zich tegelijkertijd kunnen gedragen als golven én als deeltjes. Hierdoor kunnen atomen dingen doen die voor deeltjes onlogisch lijken zoals door twee openingen tegelijk gaan.

Onder normale temperaturen gedragen atomen zich als biljartballen, elk atoom heeft een trillingsfrequentie die losstaat van die van zijn buren. Maar als een groep atomen wordt afgekoeld tot extreem lage temperaturen dan gaan ze meer op golven lijken. Hun gedrag wordt hetzelfde als dat van hun buren, ze synchroniseren hun frequentie. Zo’n koude groep atomen met een golf-karakteristiek heet een Bose-Einstein-condensaat.

Als in deze omstandigheid informatie wordt overgebracht op het golfpatroon van de atomen blijft deze informatie opgeslagen in de gezamelijk ‘golfslag’. Omdat het golfpatroon niet varieert van atoom tot atoom gaat de informatie niet verloren in een chaos van willekeurige atoombewegingen.

Vestergaard Hau en haar team hebben al eerder laten zien dat een Bose-Einstein-condensaat een lichtstraal kan vertragen en zelfs tot stilstand kan brengen. Als de atomen maar koud genoeg worden en extreem dicht op elkaar zitten dan vormt zich een nieuw soort massa. Dit omdat de interne golflengte van de samengebalde atomen overeenkomt met de onderlinge afstand die ze hebben: de atomen grijpen in elkaar en vormen een homogene massa die golven kan.

24 kilometer per uur

In dit geval vertraagt het Bose-Einstein-condensaat de lichtsnelheid tot slechts 24 kilometer per uur. Dit betekent dat een lichtstraal die een miljoenste van een seconde duurt maar een afstand van 20 micrometer aflegt. En daarmee makkelijk in een wolk gas te vangen is.

De wolk met de lichtstraal erin wordt samengeperst en wordt 50 miljoen keer kleiner dan hij was. Hierdoor veranderen een aantal atomen in het condensaat van karakter: ze komen in quantum superpositie. Superposition is wat er met rimpels in de vijver gebeurd: als de golven elkaar kruisen omdat ze tegen de kant terugkaatsen kun je hun amplitudes bij elkaar optellen. De top van de golf op een kruising is hoger dan waar de golf in zijn eentje loopt.
Wat je bij quantum superposition mag optellen is de frequentie van atomen en hun richting/snelheid. In dit geval tel je de frequentie van de lichtstraal op bij de eigen frequentie van een atoom/de hele wolk atomen. (Snelheid hebben ze niet meer omdat het zo koud is.) De lichtstraal verdwijnt maar de informatie over de lichtstraal zit nu opgeslagen in de gezamenlijke ‘golfslag’ van de wolk atomen.

Een tweede wolk natriumgas bevindt zich op twee-tiende milimeter van de eerste wolk. Deze tweede wolk is ook superkoud en wordt op zijn plaats gehouden door een magnetisch veld.
Een deel van de atomen uit de eerste wolk wordt overgebracht naar een tweede gaswolk en neemt de informatie over de lichtstraal mee.

In de tweede wolk wordt deze informatie verspreidt omdat ook deze wolk een bose-einstein-condensaat is. Alle atomen in de wolk proberen hun frequentie te synchronizeren en de informatie van ’de reizigers’ wordt opgenomen en verspreid over de hele wolk.

Wanneer nu de tweede wolk wordt aangetikt met een laser komt de informatie over de eerste lichtstraal ineens vrij, in de vorm van een lichtstraal met dezelfde frequentie als de lichtstraal die gevangen werd in de eerste wolk. De (copie van de) eerste lichtstraal ontstaat in de tweede wolk. Hij reist door de tweede wolk met 24 km/u en als hij de wolk verlaat komt hij weer op snelheid.

Reageren via Facebook

Over Xenia Bakker

Xenia Bakker is van huis uit ingenieur met een brede interesse. Ze is ook beeldend kunstenaar en houdt o.a. van pre-electrische technieken. Zo heeft ze een skin-on-frame-kayak gebouwd in Noorwegen. Zoals de Inuit deden: van hout, touw en canvas. En dan de zee op!