A jégcsapdába csalogatott fény

Nem könnyű a fény sebességét jelentősen megváltoztatni, írta az ebben a műfajban úttörő szerepet játszó Lene Vestergaard Hau, az amerikai Harvard Egyetem dán származású professzorasszonya. Ha viszont sikerült a fényt lelassítani, sőt megállítani, akkor ez új lehetőségeket nyit meg az optikai távközlésben, az adattárolásban és a kvantumszámítógépekben. A fény-rendszer befagyasztása a száguldó fényrészecskéket, a fotonokat mozdulatlan kvantuminformációvá alakítja.

Az alábbi összeállítás egy sorozat része, amely a Scientific American c. tudományos-ismeretterjesztő lap a fizikai tudás határaival foglalkozó különszáma alapján készült. Lene Vestergaard tollából származó cikket Jéki László fizikus "szelídítette meg" és egészítette ki Olvasóink számára.

A fény vákuumban csaknem 300 000 km/másodperc sebességgel száguld. A közönséges anyagokban a sebesség ennél kisebb, a vízben pl. a vákuumbeli sebesség 75%-a. A lassításban a gyémánt az egyik legjobb, de az is mindössze 2,4-szeres csökkentést tud előidézni. A hatékonyabb lassításhoz új megoldásra, kvantumfizikai jelenségek felhasználására van szükség.

Hau kutatócsoportja az amerikai Cambridge-ben először 1998. márciusban ért el átütő kísérleti eredményt, júliusban a fény már csak a repülőgépek sebességével haladt a kísérleti elrendezésben. Augusztusban már alig 60 km/óra sebességgel vánszorgott a fénynyaláb, ekkor tárták a tudományos közvélemény elé eredményeiket. 2000 nyarán sikerült először teljesen megállítani a fényt. A sikerhez különleges körülményekre van szükség, a kísérletet az abszolút nulla közelében hajtották végre. Képletesen szólva jegelték a fényt, majd idővel újra útjára engedték.

Az abszolút nulla közelében az ultrahideg atomok különleges állapotba kerülhetnek. Ez a Bose-Einstein-kondenzáció, az összes atom azonos kvantumállapotban van, a rengeteg atomból álló felhő egyetlen részecskeként viselkedik. (A. Einstein és S. N. Bose az 1920-as években jósolta meg a jelenség létezését, kísérletileg azonban csak 1995-ben sikerült végre létrehozni és megfigyelni.) Hau kísérleteiben egymilliomod foknál is jobban lehűtött, mágneses térben csapdába ejtett nátrium atomok parányi (0,2 mm hosszú, 0,05 milliméter átmérőjű) felhője volt a lassító közeg.

A nátrium atomnak a legkülső héjon egyetlen elektronja van. Ha az atomot energiabevitellel gerjesztett állapotba hozzák, akkor ez az elektron más, távolábbi pályára áll át, ehhez a pályához nagyobb energia tartozik, mint a szokásos alapállapothoz. Az atom és a fény kölcsönhatása, az elnyelt és kibocsátott frekvenciák nagysága ezeken az elektronállapotokon múlik. Az atom is és az elektron is parányi iránytűként viselkedik, az atom gerjesztett állapotait az is befolyásolja, hogy ez a két kis iránytű hogyan áll egymáshoz képest. (Az iránytű szerepét valójában a spin kvantumjellemző játssza.)