LICHT KOMT LANGZAAM OF JUIST SUPERSNEL UIT EEN KRISTALLETJE

Amerikaanse natuurkundigen hebben een manier gevonden om licht dat door een materiaal heen schiet naar believen zo sterk af te remmen dat de golven bijna tot stilstand komen. Ook versnellen is mogelijk, zelfs tot boven de lichtsnelheid in vacuüm. Tot nu toe traden dit soort effecten alleen op bij extreem lage temperaturen in exotische materietoestanden, maar nu is dat gelukt bij kamertemperatuur in een gewoon kristal. Daarmee is dit experiment een belangrijke stap op weg naar mogelijke toepassingen van `langzaam licht', bijvoorbeeld voor het opslaan van data in de vorm van lichtpulsen in een quantumcomputer (Science, 11 juli).

Onder normale omstandigheden is er (met een snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde in vacuüm) niets sneller dan licht. Zodra lichtgolven (ook op te vatten als een stroom lichtdeeltjes of fotonen) zich voortplanten in een materiaal als glas of water halen ze die enorme snelheid niet omdat ze afgeremd worden door de omringende materie. De snelheid neemt in zo'n geval af met een factor gelijk aan de brekingsindex van het materiaal. Naarmate die brekingsindex groter wordt, wordt het licht bovendien sterker geabsorbeerd, zodat het zo goed als onmogelijk is op deze manier licht sterk te vertragen.

Anders wordt dat als via quantumeffecten de absorptie wordt uitgeschakeld. Matthew Bigelow en zijn collega's deden dat met chroom-ionen in een kristal van het mineraal alexandriet. Onder normale omstandigheden absorberen die het licht over een breed gebied in het spectrum. Door ze tegelijkertijd met twee lasers te beschieten worden ze echter zo gemanipuleerd dat ze voor korte tijd niet in staat zijn om licht van één heel specifieke golflengte te absorberen: waar aanvankelijk licht met die golflengte het kristal nauwelijks kon passeren, heeft het ineens vrij spel. De quantummechanica leert dat zo'n `gat' in het spectrum samengaat met een enorm hoge brekingsindex en dus met een sterke verlaging van de lichtsnelheid. Bigelow berekende dat het licht nog maar met zo'n honderd meter per seconde door het kristal sukkelde.

Dat wil niet zeggen dat elk afzonderlijk foton met deze snelheid door het kristal schiet. De honderd meter per seconde is de gemiddelde snelheid van alle fotonen samen die de lichtgolf vormen, en wordt ook wel de groepssnelheid genoemd. Die groepssnelheid kan ook groter worden dan de lichtsnelheid: de lichtgolf komt in dat geval `sneller dan het licht' het kristal uit. En zoals een extreme vertraging ontstaat rond een sterke afname van de absorptie bij één bepaalde frequentie in het spectrum, zo leidt een toename van de absorptie tot een versnelling van de lichtgolven. Door de golflengte van een van de twee lasers een beetje te veranderen wisten de onderzoekers voor een specifieke golflengte zo'n toename te bewerkstelligen.

De onderzoekers verwachten dat deze techniek om licht naar believen te versnellen of te vertragen goed van pas kan komen in de telecommunicatie. Wanneer twee lichtsignalen uit verschillende optische vezels door eenzelfde vezel verder moeten worden geleid, ontstaan er problemen wanneer ze daar op exact hetzelfde moment aankomen. Daarom moet een van de twee iets worden vertraagd, zodat ze achter elkaar verder kunnen. Een lichtvertrager zou dit soort opstoppingen in optische vezels kunnen helpen voorkomen en zo het dataverkeer in drukke datanetwerken verbeteren.