Světelná past je přitom překvapivě jednoduchá, vlastně ji tvoří pouze jedno jediné optické vlákno. Zato možností jejího využití se nabízí bezpočet, od kvantových počítačů přes telekomunikace až po přenosné elektronické přístroje.
Jak skladovat světlo?
Již na počátku minulého století Albert Einstein ukázal, že na světlo můžeme nahlížet jako na proud diskrétních částic zvaných fotony. Znamená to tedy, že bychom ho mohli skladovat v zásobnících nebo přepravkách, podobně jako například rajčata či tenisové míčky?
Jistěže ne. Jednoduše proto, že děje v kvantovém světě jsou mnohem složitější než ty, které probíhají v makrosvětě a na něž jsme z každodenní zkušenosti zvyklí. Elementární částice nelze považovat za pouhé bodové částice, mají též vlnový charakter, což jejich chování dost významně ovlivňuje. Pokud tedy chcete světlo polapit do pasti, musíte počítat s obojím, jak s jeho částicovými, tak i vlnovými vlastnostmi.
Zrcadlová koule
Jako první možné řešení asi některé z vás napadne vyrobit kouli se zrcadlovým vnitřním povrchem a jednou mikroskopickou dírkou, skrz kterou bychom světlo přivedli dovnitř. Kdybychom měli k dispozici dokonalou zrcadlovou plochu, světlo by se pak uvnitř koule mohlo donekonečna odrážet ze strany na stranu a zůstat v ní navěky.
Jedinou ztrátu by představovaly fotony, které by se odrazily zpět do vstupního otvoru. Ale nic takového jako dokonalé zrcadlo bohužel neexistuje. Nejlepší zrcadla, která jsme dnes schopni vyrobit, při každém odrazu vykazují určitou ztrátu, v nejlepším případě v řádu několika procent.
A protože je světlo velmi velmi rychlé – jen považte, za jedinou vteřinu by stačilo oběhnout sedmkrát kolem dokola celé Země – stihlo by se v kouli odrazit tolikrát, až by bylo jejím povrchem zcela pohlceno, mnohem dříve, než bychom vůbec mohli začít zjišťovat, kolik ho vlastně uvnitř "zbylo". Z výpočtů plyne, že pro funkční makroskopickou světelnou past bychom potřebovali asi tak desetitisíckrát účinnější zrcadla, než máme dnes k dispozici.
Mikrorezonátory
Problém se poněkud zjednoduší, když sestoupíme z makrosvěta o několik úrovní níž a pokusíme se naši světelnou past sestrojit v mikroskopickém měřítku. Taková zařízení vlastně ani nemusíme vymýšlet, neboť současná technika jimi už disponuje. Jsou to tzv. mikrorezonátory, ve kterých je možné světlo kontrolovaným způsobem zadržet, i když na velice krátkou dobu.
Mikrorezonátory nalezly uplatnění například v laserových diodách, které sehrály v posledních letech důležitou roli ve vývoji optických zařízení pro ukládání informací (CD, DVD apod.). V podstatě si je můžeme představit jako mikroskopické nádobky ohraničené reflexními stěnami.
Světlo se mezi nimi neustále odráží a nemá jak uniknout ven. Jenže mikrorezonátory nikdy nebyly konstruovány se záměrem podržet světlo na dlouho, jsou schopny jej zachytit jen na okamžik, přesněji na několik milióntin vteřiny.
Interakce mezi světlem a hmotou
K tomu, abychom mohli v mikrorezonátorech světlo skladovat déle, musíme ale vyřešit ještě jeden problém. V mikrorezonátorech se totiž významně uplatňují kvantové efekty, dochází v nich k interakcím mezi uchovávaným světlem a atomy okolní hmoty. A to ovlivňuje frekvenci světla, které můžeme v rezonátorech uchovávat. Pro pochopení těchto jevů si můžeme vypomoct jednoduchou analogií.
Fyziky vyvinuté multifunkční zařízení na skladování světla
Představme si strunu u hudebního nástroje. Struna může vibrovat vždy jen několika málo způsoby, její frekvence (tóny) závisejí na její délce. Podobná situace nastává i u mikrorezonátorů, také u nich frekvence (barva) světla je určena jejich rozměry. Prakticky to znamená, že v daném mikrorezonátoru můžeme uschovat vždy jen světlo určité barvy.
Past na světlo je na světě
Při konstrukci světelné pasti se tedy vědci museli vypořádat se dvěma zásadními problémy: jednak potřebovali co možná nejdokonalejší zrcadla (s největší odrazivostí a zároveň chemicky čistá) a jednak museli velice jemně vyladit frekvenci světla tak, aby odpovídala materiálu (atomům), z něhož zamýšleli past vyrobit.
Uvedené potíže překonal až profesor Arno Rauschenbeutel z mohučské univerzity, jehož týmu se vůbec poprvé podařilo sestrojit mikrorezonátor, který má všechny vlastnosti, jež od světelné pasti očekáváme: dlouhý čas uchování, možnost udržet v sobě světlo prakticky jakékoli barvy (frekvence) a to vše v jediném malém kompaktním zařízení.
Základ tvoří optické vlákno
Jak se to německým vědcům povedlo? Jejich recept na skleněnou past na první pohled vypadá snad až příliš jednoduše. Stačí vzít optické vlákno, ohřát je a natáhnout oba jeho konce tak, aby byly tenké asi jako polovina lidského vlasu. Pak už jen zbývá uprostřed vlákna pomocí laseru vytvořit výduť, přibližně ve tvaru ragbyového míče. A je hotovo.
Světlo se pak uvnitř odráží na povrchu vlákna a pohybuje se po spirále podél osy vlákna, nikdy z něj ale nebude moct uniknout, neboť průměr obou konců vlákna je menší než jeho vlnová délka. A tak v něm zůstane uvězněno jako v pasti.
Rezonanční nádoba
A jak se nové zařízení jmenuje? Spíše než světelné pasti dávají němečtí vědci přednost názvu rezonanční nádoba a to díky podobnosti s jiným fyzikálním zařízením, tzv. magnetickou nádobou, což není nic jiného než speciálně tvarované magnetické pole. Částice plazmatu v něm zůstávají uvězněny podobně jako světlo v rezonanční nádobě, neboť v úniku jim brání uspořádání magnetických silokřivek.
Pokud bychom chtěli rezonanční nádobu nastavit na světlo jiné vlnové délky (a tedy frekvence), stačí jen oba konce optického vlákna příslušně natáhnout, nebo stlačit. Ostatní zařídí mechanické napětí ve vlákně, které způsobí požadovanou změnu indexu lomu.
Zdroj:
www.uni-mainz.de
www.physorg.com
