Han brom­sar lju­set

Vem som helst kan fär­das snab­ba­re än lju­set. Det går näm­li­gen att BROM­SA NER LJUS­STRÅ­LAR till kryp has­tig­het. Men när de släpps ut igen hin­ner ing­en med – då åter­får de sin ur­sprung­li­ga has­tig­het. F&F har träf­fat en svensk fors­kar­grupp som ut­veck­lar oli­ka

Forskning & Framsteg - - Augusti/2017 - Av AN­NA DA­VOUR Fo­to CHRISTI­AN ANDERSSON

Tänk dig en li­ten höjd med ut­sikt över en gröns­kan­de dal. På höj­den står en rad med glasru­tor, som föns­ter ut­an hus. Tänk dig att lju­set från vyn brom­sas in i gla­set och ba­ra fär­das nå­gon mil­li­me­ter per år. Det som syns ge­nom ru­tor­na är vad som fanns på and­ra si­dan för länge se­dan. De rik­tigt tjoc­ka fönst­ren in­ne­hål­ler ljus från tio år av lant­lig idyll.

Den här tänk­ta sce­nen är häm­tad från den klas­sis­ka sci­ence fic­tion-no­vel­len Light of ot­her days av Bob Shaw, skri­ven 1966. I be­rät­tel­sen vill ett olyck­ligt ungt par kö­pa en så­dan föns­terru­ta med lag­rad ut­sikt till sitt hem.

No­vel­len hand­lar i och för sig mer om män­ni­skor än om ljus. Men det lång­sam­ma gla­set är in­tres­sant. I den tom­ma rym­den stör­tar lju­set fram med näs­tan 300 000 kilo­me­ter i se­kun­den. Ljus är själ­va de­fi­ni­tio­nen av det snab­bas­te som kan fin­nas. I be­rät­tel­sen stö­ter det mot det un­der­li­ga gla­set och brom­sar helt plöts­ligt in, för att se­dan snig­la sig fram till and­ra si­dan, där det ome­del­bart kas­tas i väg igen med full fart, som om ing­et ha­de hänt.

Det är en märk­lig tan­ke. Men egent­li­gen är det ba­ra en ex­trem ver­sion av vad som hän­der i vå­ra van­li­ga föns­ter där hem­ma. Även van­ligt föns­terglas brom­sar lju­set en aning. Sol­strå­lens has­tig­het ge­nom gla­set är un­ge­fär 2/3 av has­tig­he­ten ge­nom luft. Än­då kom­mer det ut på and­ra si­dan i stort sett oför­änd­rat. En ren­put­sad föns­terru­ta är näs­tan osyn­lig för ögat.

Föns­ter­gla­set är ett li­tet un­der­verk i var­da­gen som de fles­ta av oss in­te ens fun­de­rar på. Men det gör Andre­as Walt­her, som fors­kar om lång­samt ljus vid Lunds uni­ver­si­tet. Han kan kon­trol­le­ra lju­set bätt­re än na­tur­li­ga ma­te­ri­al som glas kan gö­ra. Han tving­ar lju­set att rö­ra sig med ba­ra ti­o­tu­sen­de­lar av sin van­li­ga has­tig­het i va­ku­um. Det är an­vänd­bart på fle­ra vis.

– Ju läng­re tid som lju­set till­bring­ar i ma­te­ria, desto läng­re tid finns för att ma­ni­pu­le­ra lju­set och an­vän­da det på oli­ka sätt, sä­ger han.

Nu hål­ler han till­sam­mans med si­na kol­le­ger på att ut­veck­la ett sätt att gö­ra bätt­re me­di­cins­ka av­bild­ning­ar med ljus som skic­kas ge­nom krop­pens väv­na­der. Kne­pet är att brom­sa in och för­drö­ja just det ljus som vi­sar det man vill se, så att det kan skil­jas ut från allt an­nat ljus som grum­lar bil­den. Fors­kar­na vill för­bätt­ra me­to­den så att den kan an­vän­das till att bland an­nat av­bil­da can­cer­tu­mö­rer el­ler mä­ta sy­resätt­ning­en i krop­pen.

– Många har fors­kat om lång­samt ljus, men vi är en av de få grup­per­na i värl­den som för­sö­ker gö­ra en prak­tisk tillämp­ning av det, sä­ger Andre­as Walt­her.

In­nan han går in på hur han gör för att sty­ra lju­sets fart vill Andre­as Walt­her drö­ja kvar vid det märk­li­ga fe­no­me­net med hur ljus brom­sas in i van­li­ga ge­nom­skin­li­ga ma­te­ri­al som vat­ten och glas.

Ljus är i grund och bot­ten sväng­an­de elektro­mag­ne­tis­ka fält. Och ma­te­ria be­står av elekt­riskt lad­da­de par­tik­lar: tunga och trö­ga atom­kär­nor med po­si­tiv ladd­ning, med små och mer lätt­rör­li­ga ne­ga­tivt lad­da­de elektro­ner runt om­kring. När lju­set kom­mer in i ma­te­ri­a­let hän­der det sa­ker.

– Lju­sets elekt­ris­ka fält drar i elektro­ner­na i ato­mer­na, sä­ger Andre­as Walt­her.

Iett oge­nom­skin­ligt fö­re­mål stop­pas lju­set ge­nom att det an­ting­en re­flek­te­ras, el­ler sugs upp av elektro­ner­nas ge­men­sam­ma rö­rel­ser i ma­te­ri­a­let och se­dan strå­las ut som vär­me. Men elektro­ner­na hålls in­häg­na­de av kvant­fy­si­kens be­gräns­ning­ar, som hän­vi­sar dem till vis­sa ener­gi­er och för­bju­der and­ra. Om ma­te­ri­a­let in­te tillå­ter elektro­ner­na att ha pre­cis den ener­gi som finns i syn­ligt ljus kan de in­te ab­sor­be­ra lju­set. Så är det i ge­nom­skin­li­ga ma­te­ri­al som glas och vat­ten. Dä­re­mot kan elektro­ner­na ryc­kas med av lju­sets sväng­i­ga elekt­ris­ka fält och dan­sa med i ryt­men. Sväng­an­de elektro­ner ger i sin tur en elekt­risk våg. Och det är nu det blir spän­nan­de.

Den våg som kom­mer från gla­sets elektro­ner sum­me­ras ihop med sväng­ning­en i lju­set. Lju­sets iden­ti­tet blir upp­löst. Det är in­te läng­re ett själv­stän­digt fe­no­men. I stäl­let är lju­set in­u­ti glasru­tan en del av en ge­men­sam våg­rö­rel­se i ma­te­ri­a­let. Den kom­bi­ne­ra­de vå­gen ser ut att för­skju­tas li­te bak­åt, jäm­fört med den ur­sprung­li­ga ljus­vå­gen. Den sam­man­lag­da sig­na­len rör sig lång­sam­ma­re.

När en ljus­strå­le kom­mer in i ett ma­te­ri­al änd­ras plöts­ligt has­tig­he­ten, och vid gränsy­tan får strå­len en knäck och tar en ny rikt­ning. Det är där­för sug­rö­ret i ett saft­glas kan se ut som om det in­te häng­de ihop. Fe­no­me­net kal­las för bryt­ning – och hur starkt lju­set brom­sas anges med bryt­nings­in­dex. Att lju­set bryts vid ytan lig­ger bakom op­ti­kens al­la knep med lin­ser och pris­mor som ma­ni­pu­le­rar lju­sets rikt­ning.

Ett högt bryt­nings­in­dex in­ne­bär att lju­set brom­sas kraf­ti­ga­re och där­med bryts mer. Men för den som skul­le vil­ja åter­ska­pa det ult­ra­lång­sam­ma gla­set i Bob Shaws no­vell finns ett pro­blem: Ju hög­re bryt­nings­in­dex ett ma­te­ri­al har, desto mer av lju­set re­flek­te­ras vid ytan. Att till­ver­ka ett glas med jät­te­högt bryt­nings­in­dex skul­le in­te gö­ra det möj­ligt att brom­sa lju­set så att det spa­ras, ut­an ba­ra re­sul­te­ra i en myc­ket ef­fek­tiv spe­gel.

Kne­pet som Andre­as Walt­her an­vän­der för att brom­sa ljus häng­er i stäl­let ihop med en an­nan in­tres­sant sak som hän­der i ett pris­ma: ljus av oli­ka färg (som allt­så har oli­ka våg­läng­der) bryts oli­ka myc­ket. Om vitt ljus går in i pris­mat kom­mer en regn­bå­ge ut på and­ra si­dan, ef­tersom bryt­nings­in­dex är li­te oli­ka stort för oli­ka våg­läng­der på lju­set. Det här kan Andre­as Walt­her ut­nytt­ja, i en ex­trem form: – Tek­ni­ken kal­las för hål­brän­ning. Vi har en kri­stall som vi kan pro­gram­me­ra med en la­ser. Vi ska­par en ka­nal som ba­ra släp­per ige­nom en viss våg­längd.

Det blir ing­et fy­siskt hål, ut­an la­sern änd­rar hur ma­te­ri­a­let re­a­ge­rar på en viss väl be­stämd våg­längd. Den ut­val­da våg­läng­den fly­ger fram ge­nom kri­stal­len opå­ver­kad, som i tom­ma rym­den, men vå­gor som ba­ra är pyt­te­li­te läng­re el­ler kor­ta­re blir i stäl­let kraf­tigt in­brom­sa­de.

– Kring den ut­val­da våg­läng­den blir skill­na­den i bryt­nings­in­dex för oli­ka fär­ger upp till en mil­jon gång­er stör­re än i van­ligt glas.

La­ser­ljus är nä­ra nog en­fär­gat, men det finns all­tid små va­ri­a­tio­ner i strå­len. Det är omöj­ligt att gö­ra en kort ljuspuls som in­ne­hål­ler ba­ra en en­da våg­längd, så det finns all­tid in­slag i pul­sen som av­vi­ker li­te och som hå­lets kan­ter kan gri­pa tag i.

Åte­ri­gen lig­ger själ­va hem­lig­he­ten i kom­bi­na­tio­nen av al­la vå­gor. När nu oli­ka våg­läng­der för­skjuts på dras­tiskt oli­ka sätt, blir ef­fek­ten för den to­ta­la pul­sen star­ka­re. Den sam­man­lag­da ljuspul­sen upp­för sig som om den sac­kar ef­ter. Ef­fek­ten kan sty­ras och gö­ras myc­ket kraf­ti­ga­re än in­broms­ning­en i en van­lig föns­terru­ta. Just nu är den fors­kar­grupp vid Lunds uni­ver­si­tet som Andre­as Walt­her del­tar i den en­da i Sve­ri­ge som ar­be­tar med lång­samt ljus. För någ­ra år se­dan fanns det ock­så ett pro­jekt på Kung­li­ga tek­nis­ka hög­sko­lan i Stock­holm, där fors­ka­ren Mau­ritz Andersson gjor­de ex­pe­ri­ment med in­brom­sat ljus i ett gas­moln. Nu syss­lar han med an­nat, men han är fort­fa­ran­de in­tres­se­rad av lång­samt ljus och de möj­lig­he­ter som det för med sig.

– Ma­te­ri­al som an­vänds för att sty­ra ljus, till ex­em­pel i lin­ser och op­tis­ka fib­rer, har ju fas­ta egen­ska­per. Med tek­ni­ker för lång­samt ljus får vi plöts­ligt styr­knap­par för lju­set.

Han pra­tar om vad det skul­le be­ty­da i kvant­da­to­rer el­ler i ett in­ter­net som byg­ger på ljus­sig­na­ler. Det skul­le gå att ska­pa kopp­ling­ar där oli­ka pul­ser kan vän­ta in varand­ra, el­ler gö­ra ett op­tiskt min­ne ge­nom att hål­la kvar ljuspul­ser.

Kri­stal­len pro­gram­me­ras så att den får ett bryt­nings­in­dex som va­ri­e­rar kraf­tigt för oli­ka våg­läng­der.

Lju­sets färg be­stäms av läng­den på ljus­vå­gor­na. La­ser­ljus är så gott som en­fär­gat, men det är omöj­ligt att gö­ra en kort ljuspuls som ba­ra in­ne­hål­ler ex­akt en våg­längd.

Sug­rö­ren ser knäck­ta ut. Ef­fek­ten be­ror på att lju­set går oli­ka fort i oli­ka ma­te­ri­al. Ljus­strå­lar bryts vid ytan, där has­tig­he­ten änd­ras.

Newspapers in Swedish

Newspapers from Sweden

© PressReader. All rights reserved.