MATERIE MET BEHULP VAN VERTRAAGD LICHT GEMANIPULEERD

Dat niets sneller gaat dan het licht, weten we sinds Einstein. Het is een wat slordige formulering, want eigenlijk moet je zeggen dat de lichtsnelheid in vacuüm door niets kan worden overtroffen. In water of in glas beweegt licht zich al veel trager voort. Hoe hoger de brekingsindex van een materiaal, hoe meer een lichtgolf wordt afgeremd. In theorie zou je licht dus praktisch stil kunnen zetten, ware het niet dat een hoge brekingsindex altijd gepaard gaat met een sterke absorptie. Die zorgt ervoor dat het licht verdwijnt voordat het stilstaat.

Tenzij je de quantummechanica te hulp roept. Dat laten Amerikaanse fysici deze week in Nature zien (18 februari): via een truc creëerden ze een materiaal met een enorme brekingsindex en praktisch geen absorptie. Lichtpulsen die daar doorheen werden gestuurd deden dat met een slakkengangetje van zo'n 60 km/uur. In de tijd die zij nodig hadden om een afstand van een paar tiende millimeter af te leggen, zouden ongehinderde pulsen een paar kilometer hebben afgelegd.

Wanneer een atoom een foton absorbeert, gaat het van een toestand met een lage energie, de grondtoestand, over in eentje met een hogere energie, een aangeslagen toestand. Om deze absorptie te kunnen uitschakelen, zijn twee dicht bij elkaar gelegen grondtoestanden nodig. Met behulp van licht van de juiste golflengte en polarisatie (het vlak waarin de lichtgolven trillen) kunnen deze aan elkaar worden gekoppeld. Elk atoom kan vanaf dat moment op twee manieren omhoog in energie.

Dat lijkt een luxe, maar in de quantummechanica is het funest: als gevolg van interferentie kan het atoom niet kiezen en blijft het zitten waar het zit. Wanneer er vervolgens een laserpuls langskomt wordt die dus wel vertraagd, maar niet geabsorbeerd. Dit alles gebeurde in een wolkje natriumatomen bij een temperatuur van een halve microkelvin, vlak boven het absolute nulpunt. Onder die omstandigheden staan de natriumatomen praktisch stil, waardoor ze in een exotische toestand komen (Bose-Einsteincondensatie) waarin ze allemaal precies hetzelfde doen. Daardoor worden de op zichzelf subtiele quantummechanische effecten die verantwoordelijk zijn voor de vertraging vele malen versterkt.

Zowel in het artikel zelf als in een begeleidend commentaar wordt een aantal mogelijke toepassingen genoemd, maar gezien de ingewikkelde experimentele opstelling die daarvoor nodig is, zijn die niet erg waarschijnlijk. Het experiment is vooral een mooie illustratie van de verfijnde manier waarop materie met behulp van licht kan worden gemanipuleerd.

(Rob van den Berg)