Kruipend licht

Vorige week maakte Harvard-fysica Lene Hau tijdens een symposium in Washington bekend licht te hebben afgeremd tot wandelsnelheid. Vertraging tot slakkengang ligt in het verschiet. `Licht krijgt in die situatie iets menselijks.'

IN HAAR LANGE streepjesjasje, laser pointer in de aanslag, doet ze nog het meest denken aan een goochelaar. Het past wonderwel bij het onderwerp dat vanmiddag in de Delaware Suite van het Mariott Wardman Park op het programma staat. `Optics Enters the New Millennium: The Magic of Matter Waves', luidt de titel van het symposium en een paar dozijn van de duizenden deelnemers aan de jaarbijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science (AAAS, uitgever van het weekblad Science) heeft zich in het zaaltje verzameld om zich de tovertruc van Lene Hau, fysica op Harvard, te laten uitleggen.

En toveren lijkt het: de lichtsnelheid terugbrengen tot een mijl per uur, de snelheid van de kuierende voetganger. Verdere reductie tot een centimeter per seconde ligt in het verschiet, al moet daarvoor wel de nieuwe proefopstelling op Harvard eerst af. Tot nu toe deed Hau haar experimenten op het particuliere Rowland Instituut in Cambridge (Massachusetts), opgericht door Edwin Land, de in 1991 overleden uitvinder van de polaroid-fotografie. Vorig jaar februari kwam ze wereldwijd in de schijnwerpers na een publicatie in Nature waarin ze bekendmaakte licht tot zo'n 60 km/uur te hebben vertraagd. `Cycling at the speed of light?' schreef de redactie van het Britse weekblad op de cover die toont hoe in Lau's apparaat een wielrenner het wint van een lichtstraal.

Dat is een beetje kort door de bocht: het trage licht baant zich in de praktijk een weg door een wolkje gas dat is afgekoeld tot de ultralage temperatuur van nog geen miljoenste graad boven het absolute nulpunt, -273 °C. Het weerhield de voorzitter van het AAAS-symposium in Washington er overigens niet van Lene Hau aan te kondigen als `een van de weinige mensen die sneller dan het licht hebben gereisd en ook nog eens zijn teruggekeerd om ons daarover te vertellen'.

Het begon allemaal in Denemarken. Lene Vestergaard Hau groeide op in Jutland, in een dorpje niet ver van Arhus. Haar vader, van Chinese afkomst, had een stomerij en haar moeder werkte in een winkel. Lene studeerde natuurkunde aan de universiteit van Arhus en na haar promotie in 1991 vertrok ze voor een postdoc naar de Verenigde Staten. Ze belandde op Harvard en op het Rowland Instituut, en kreeg de beschikking over een eigen onderzoeksgroep plus apparatuur om de extreme koude in het leven te roepen die noodzakelijk is om het licht drastisch af te remmen. ``Wij werken bij zulke lage temperaturen dat de atomen zo goed als stilstaan'', zegt Hau. ``Vergelijk dat eens met fysici die in kolossale deeltjesversnellers gigantische botsingen forceren in de hoop dat in de brokstukken die de klap oplevert nieuwe bouwstenen schuilen. Dan is onze inborst toch heel wat zachtaardiger.''

Niets reist sneller dan het licht, aldus de relativiteitstheorie van Einstein. Maar dat is wat losjes geformuleerd. Bedoeld wordt de lichtsnelheid in vacuüm, iets minder dan 300.000 km/sec. Zodra licht door doorzichtige materie loopt, zoals lucht, water of kwarts, neemt de snelheid af met een factor gelijk aan de brekingsindex van dat materiaal. De lichtsnelheid in glas is 200.000 km/sec en die in diamant nog `maar' 125.000 km/sec. Maar veel verder kom je niet, want hoe groter de brekingsindex, hoe sterker het materiaal het licht absorbeert in plaats van doorlaat. Het wolkje natriumdamp in Hau's apparaat is onder gewone omstandigheden dan ook net zo doorzichtig als een blinde muur. Hau's truc: `masseer' het wolkje met laserlicht en de quantumtheorie zorgt ervoor dat in de muur als het ware een venster ontstaat waardoor geel natriumlicht – bekend van straatlantaarns – niet alleen wordt doorgelaten maar bovendien in extreme mate afremt, inmiddels tot 1 à 2 km/uur. Hau: ``Licht krijgt in zo'n situatie iets menselijks, je kunt het aanraken.''

De aanloop tot die spectaculaire vertraging bestaat uit een aantal trappen. Om te beginnen schiet een soort kandelaar een bundel hete natriumdamp, in totaal zo'n 10 miljard atomen, een zogeheten Zeemanvertrager binnen (genoemd naar onze landgenoot Pieter Zeeman die in 1902 samen met H.A. Lorentz de Nobelprijs won). Na deze eerste rem, waarbij de gemiddelde snelheid van de atomen is gedaald tot zo'n honderd km/uur, bereikt de natriumdamp een vacuümruimte waar een druk heerst die honderd biljoen keer lager ligt dan die in de buitenlucht. Lasers die vanuit verschillende richtingen licht op de natriumatomen kaatsen, zodanig dat hun beweging stokt, vormen de tweede koeltrap, resulterend in een wolkje gas van 0,050 millikelvin (het absolute nulpunt is 0 kelvin, oftewel -273 °C). Vervolgens gaan de lasers uit en worden de atomen gevangen in een magnetische val, bestaande uit supergeleidende spoelen waardoor 1.000 ampère aan stroom loopt. Alleen de snelste natriumatomen weten te ontkomen, net zoals alleen de snelste watermoleculen uit een kopje hete thee ontsnappen. En dus daalt de gemiddelde snelheid van de achterblijvers, en daarmee de temperatuur. Koeling door verdamping is een machtig wapen op weg naar het absolute nulpunt en mondt uit in ultralage temperaturen beneden de miljoenste kelvin, lager dan in welke uithoek van het heelal dan ook.

Het is bij deze extreme kou dat in het wolkje natriumdamp een exotisch effect optreedt: Bose-Einsteincondensatie (BEC). Deze fascinerende toestand van de materie is in 1924 door Albert Einstein en de Indiase fysicus Satyendra Nath Bose voorspeld, maar pas in 1995 lukte het Eric Cornell en Carl Wieman zo'n condensaat in het laboratorium te maken. Sindsdien is BEC een hot topic en op het symposium in Washington bleek dat van het BEC-front de komende jaren flink wat spektakel is te verwachten, van Hau's trage licht tot materie-lasers.

ONZEKERHEIDSPRINCIPE

Sleutel tot Bose-Einsteincondensatie is het beroemde onzekerheidsprincipe van Heisenberg, daterend uit 1927. De Duitser kreeg het beslissende idee tijdens een nachtelijke wandeling in het Faelled Park, direct achter het instituut van Niels Bohr in Kopenhagen. Het onzekerheidsprincipe houdt in dat de positie en de snelheid van een deeltje nooit tegelijkertijd met onbeperkte nauwkeurigheid zijn te bepalen: een scherp afgebakende waarde van de één leidt automatisch tot een zekere vaagheid in de waarde van de ander. Hoe beter je de snelheid weet, des te slechter ken je de positie. Toegepast op ultrakoude atomen: de snelheid ligt zeer dicht in de buurt van nul, en is dus precies bekend, met als gevolg dat de plek waar die atomen zitten steeds meer uitgesmeerd raakt naarmate de temperatuur daalt. Wanneer de posities van de atomen zo diffuus zijn dat ze elkaar overlappen, verliezen ze hun individualiteit en vloeien ze samen tot één amorf collectief: een Bose-Einsteincondensaat. Omdat de atomen in die situatie unisono optreden, zijn vergelijkbare effecten te verwachten als bij (coherent) laserlicht – vandaar de AAAS-symposiumtitel `optica in het nieuwe millennium'.

In de proefopstelling van Lene Hau is het Bose-Einsteincondensaat een sigaar met een lengte van 0,2 millimeter en een dikte van 0,04 millimeter. Binnen een minuut nadat de kandelaar hete natriumdamp heeft uitgespuwd is hij geformeerd. Op die sigaar stuurt Hau hetzelfde licht af als we uit straatlantaarns kennen, met dit verschil dat het om laserstralen gaat die eerst een optische tafel passeren die het licht fijnregelt voor het via vensters de vacuümkamer binnengaat en op het condensaat gericht wordt. Hau: ``De essentie van het experiment is dat het sigaarvormige condensaat eerst van opzij door een laserbundel als het ware gemasseerd wordt. Daarbij raken de lichtdeeltjes en het condensaat in een soort verstrengeling, er ontstaat een gezamenlijke quantumtoestand die het condensaat de zeer speciale eigenschap geeft dat wanneer we er tegelijkertijd van opzij een tweede laserbundel op richten, deze puls niet geabsorbeerd wordt en bovendien zijn reis door het condensaat extreem traag aflegt. Overigens is het een gekke gewaarwording door het venster te kijken en het condensaat echt te zien zweven.''

Hau's meting van de lichtsnelheid in het condensaat is verbluffend eenvoudig. ``Het is een single shot experiment, niks geen statistiek of gemanipuleer, maar gewoon eerlijke ruwe data. We wachten de puls met een detector op en meten het verschil in aankomsttijd tussen een puls die door het natriumwolkje is gelopen en een puls die dezelfde weg door vacuüm heeft afgelegd. Is dat tijdsverschil bijvoorbeeld 7 miljoenste van een seconde, bij een sigaarlengte – bepaald met een derde laserbundel en een digitale camera nadat de puls gepasseerd is – van 0,22 millimeter, dan geeft dat een lichtsnelheid van 32 meter per seconde. Wil je een vergelijkbare vertraging in een glasvezel bewerkstelligen, dan heb je een kabel van een paar kilometer lengte nodig. Door de lasermassage van het condensaat te verfijnen en over te schakelen op iets ander natriumlicht met gunstiger eigenschappen, zitten we inmiddels op 1 à 2 mijl per uur en verdere reductie tot de bizarre waarde van 1 cm/sec moet met de nieuwe opstelling op Harvard haalbaar zijn. In die situatie gaat geluid in het condensaat harder dan licht. Ik verwacht atomen te zien meesurfen op de toppen van licht, heel spannend.''

Voorlopig is het Hau te doen om opwindende fundamentele natuurkunde, maar nu al ziet ze toepassingen in het verschiet. Die liggen in de eerste plaats op het gebied van de niet-lineaire optica. Zo is het mogelijk infraroodstraling om te vormen tot zichtbaar licht door een krachtige laserbundel door een kristal te sturen. Hau: ``Met het gemasseerde condensaat kun je niet-lineaire optica doen bij zeer lage vermogens, wat in de toekomst het ontwerpen van nachtkijkers zal beïnvloeden. Ook zijn met dit systeem zeer gevoelige optische schakelaars te maken die aan één foton al genoeg hebben, of lichtvertragers die dynamisch te programmeren zijn door de intensiteit van de massage-laser te variëren. Maar wil het echt tot iets praktisch komen dan moet de proefopstelling van nu, met zijn ingewikkelde vacuümsysteem en omvangrijke lasertafel, met behulp van nanotechnologie worden teruggebracht tot iets dat op een chip past. Dat is het uiteindelijke doel.''

Intussen blijft het kruipende licht knagen. Natuurlijk, in zo'n condensaat is het bitter koud maar het heeft gewoon iets vreemds dat we lichtstralen zouden kunnen inhalen. Het doet denken aan een anekdote over James `Cool Papa' Bell, de in 1991 overleden zwarte honkballer die zo snel was dat hij regelmatig niet één honk stal maar twee. De even legendarische werper Satchel Paige verklaarde eens dat Bell zo hard kon lopen `dat hij het licht kon uitdraaien en al in bed lag voor het donker was'. Dankzij de inspanningen van Lene Hau is dat geen wonder meer, maar een koud kunstje.