Kald fødsel for hete stråler

Lys er for første gang "frosset" ned til en konsentrert form. Slike stråler kan brukes til å etse mindre og raskere datakretser.

Published

Forskere fra Universitetet i Bonn har klart å lage lysstråler i en konsentrert form som man tidligere trodde var umulig.

I framtida kan denne metoden trolig brukes til å lage laserlignende røntgenstråler. Slike røntgenstråler kan blant annet etse svært små mønstere i databrikker. Og i datateknologien gjelder regelen: Jo mindre, desto bedre.

Men resultatet innebærer mer enn bare raskere datamaskiner. Dette er et gjennombrudd som får betydning for hvordan vi tolker den fysiske virkelighet, mener fysikeren James Anglin i en kommentar i tidsskriftet Nature, der resultatene publiseres.

Skaperne av de konsentrerte "kalde" strålene: (fra venstre) Julian Schmitt, Jan Klärs, Dr. Frank Vewinger og professor dr. Martin Weitz. (Foto: Volker Lannert, Universität Bonn)
Skaperne av de konsentrerte "kalde" strålene: (fra venstre) Julian Schmitt, Jan Klärs, Dr. Frank Vewinger og professor dr. Martin Weitz. (Foto: Volker Lannert, Universität Bonn)

”Kaldt” og ”varmt” lys

Det spesielle med det konsentrerte lyset er at det blir laget ved romtemperatur. Normalt må det være mye varmere for at lys skal oppstå.

Tenk på glødetråden i en lyspære. Hvis du skrur på strømmen, blir den varm og lyser. Hvis du skrur av strømmen, blir den kald og mørk.

Det de tyske forskerne har klart, kan sammenlignes med å lage en lyskilde der “glødetråden” er kald, men lyset fortsatt lyser. Og den lave temperaturen har gjort det mulig å samle lysbølgene i en ny, konsentrert form.

Eller kanskje vi burde si lyspartiklene?

Lys oppfører seg som atomer

Albert Einstein teoretiserte seg jo fram til at lys noen ganger oppfører seg som bølger, andre ganger som lyspartikler, eller fotoner.

Forskerne har nå klart å gjøre noe med lyspartikler som tidligere bare har vært gjort med vanlig stoff, med atomer: De har laget et Bose-Einstein-kondensat.

Et Bose-Einstein-kondensat er en helt spesiell tilstand, det fysikerne kaller en fase. Andre faser er gassform, flytende form og fast stoff. Og så altså Bose-Einstein-kondensatet.

For å lage dette kondensatet av vanlig stoff, må atomer i en tynn gass kjøles ned til nær det absolutte nullpunkt, minus 273 grader Celsius, eller null grader Kelvin.

Da slutter atomene å vibrere, og faller til ro i den samme grunntilstanden. Slike kondensater kan ha merkelige egenskaper som for oss virker naturlovstridige.

Flyter fritt oppover vegger

Flytende helium i superfluid fase, avkjølt til nær det absolutte nullpunkt. En tynn, usynlig hinne kryper opp langs innerveggen av koppen og ned på utsiden. Den vil falle ned i den flytende heliumen nedenfor, helt til koppen er tom. (Foto: Alfred Leitner)
Flytende helium i superfluid fase, avkjølt til nær det absolutte nullpunkt. En tynn, usynlig hinne kryper opp langs innerveggen av koppen og ned på utsiden. Den vil falle ned i den flytende heliumen nedenfor, helt til koppen er tom. (Foto: Alfred Leitner)

Kondensatet kan bli et superfluid, en væske som flyter helt uten motstand. Hvis du hadde et hav av superfluid, kunne du dytte i gang et skip ved den ene bredden og se det ankomme et annet kontinent mange dager seinere med samme fart, helt uten motorkraft.

Hvis da ikke skipet hadde sunket først. Du kunne nemlig ikke brukt en åpen båt. Superfluidet ville strømmet oppover båtripa helt av seg selv inntil nivået inni båten var likt det utenfor.

Bose-Einstein-kondensat er også superledere. Det betyr at de leder elektrisk strøm uten motstand. Sett i gang en elektrisk strøm inne i en perfekt superleder, og den vil teoretisk sett gå rundt til evig tid. Superledere brukes blant annet i magnetiske svevetog.

Men hva skjer hvis et slikt Bose-Einstein-kondensat ikke lages av vanlig stoff, men av lyspartikler, av fotoner? Det har vi ikke sett i praksis, før nå.

Når det svinger i takt

I et kondensat av lyspartikler, vil fotonene falle ned på samme lave energinivå. Da vil de oppføre seg som ett eneste, stort super-foton.

For den som har sett laserlys, vil dette virke kjent. Laser er blindende intenst fordi alle lysbølgene oppfører seg på samme måte. De svinger i takt.

At taktfaste svingninger har stor kraft, kan vi se på inskripsjonen over den gamle Aamodt bru ved Akerselva: “100 mann kan jeg bære, men svikter under taktfast marsj.”

Hvis soldatene marsjerer i takt, kan de komme til å lage en stående bølge i brua. Og stående bølger har stor kraft.

Stående bølger av lyd og lys

Stående lydbølger kan lage en hard klang mellom murvegger. Synger du i badet, vil du høre at enkelte tonehøyder gjaller og forsterkes mellom veggene. De danner en stående lydbølge. Dette kalles resonans.

Jo større baderommet ditt er, desto dypere blir resonanstonen. Av samme grunn er en “dyp” tuba mye større enn en “lys” piccolofløyte.

Laserlys er på samme måte en stående lysbølge der alle lysbølgene svinger i takt. Det betyr at de har samme “tonehøyde”, eller farge.

Og akkurat som resonansen i dusjen virker som en fysisk lydforsterker, så er laseren en lysforsterker. LASER betyr ”Light Amplification by Stimulated Emission Radiation”.

Kjøler ned og forsterker

De tyske forskerne har laget ”kaldt” lys ved en prosess som ligner på laseren. Lysbølgene, eller fotonene, samles opp i rommet mellom to speil.

Skjematisk skisse av forsøket. En grønn laser-lysstråle sendes inn i fargestoffet mellom speilene, hvor den absorberes og gjenutsendes mens den "kjøles ned" til romtemperatur. Det høyre speilet er svakt gjennomsiktig, og slipper ut litt av strålingen for analyse. (Figur: forskning.no, basert på figur i tidsskriftet Nature)
Skjematisk skisse av forsøket. En grønn laser-lysstråle sendes inn i fargestoffet mellom speilene, hvor den absorberes og gjenutsendes mens den "kjøles ned" til romtemperatur. Det høyre speilet er svakt gjennomsiktig, og slipper ut litt av strålingen for analyse. (Figur: forskning.no, basert på figur i tidsskriftet Nature)

I dette mellomrommet er det oppløst molekyler av et fargestoff ved romtemperatur. Fra tid til annen kolliderer fotonene med disse molekylene. De blir absorbert og sendt ut igjen inntil de er tilstrekkelig nedkjølt.

Da oppfører de seg som ett stort, samlet superfoton: Et Bose-Einstein-kondensat.

Akkurat som for resonanstonen mellom de harde murveggene, bestemmer avstanden mellom speilene hvilken ”farge” superfotonet får.

Foreløpig har de klart å framstille synlig lys. I framtida håper forskerne å skyve speilene tettere mot hverandre, slik at rommet mellom dem blir mindre.

Da vil fargen endre seg, mot blått og videre opp i det ultrafiolette lyset som vi ikke kan se, helt til det når opp i det energirike røntgenstråleområdet.

Universelle mønstre

Kunstnerens inntrykk av et Bose-Einstein-kondensat (Illustrasjon: Jan Klärs, Universität Bonn)
Kunstnerens inntrykk av et Bose-Einstein-kondensat (Illustrasjon: Jan Klärs, Universität Bonn)

Selv om slike ”kalde” røntgenstråler kanskje kan brukes til å etse mindre og mer effektive datakretser, er dette et gjennombrudd som kan stå for seg selv som grunnforskning innen fysikken.

I kommentarartikkelen i Nature peker fysikeren James Anglin på en spennende tendens innen sitt eget fagfelt: De samme, universelle mønstrene går igjen i vidt adskilte fenomener.

Denne gangen har forskerne fra Universitetet i Bonn klart å få fotoner til å oppføre seg som atomer i et Einstein-Bose-kondensat.

I andre tilfelle har gasser oppført seg som laserlys, magneter eller til og med som svarte hull.

- Trenden er at alt er i ferd med å bli alt annet. Den rent vitenskapelige gevinsten av denne trenden er at disse få universelle mønstrene og prinsippene er det som virkelig blir bevart, ikke som partikler av lys eller materie, men som partikler eller atomer av virkelighet, skriver Anglin.

Referanse:

Jan Klaers, Julian Schmitt, Frank Vewinger & Martin Weitz: Bose–Einstein condensation of photons in an optical microcavity, Nature 25.11.2010, vol 468, pp. 545-548, doi:10.1038

James Anglin: Particles of light, Nature 25.11.2010, vol 468, pp. 517-518