Kan vi få lys til å gå fortere enn lysets hastighet? Ja, på sett og vis – helt uten å gå på akkord med relativitetsteorien, til og med.

Resultatet av nyvinningen er at prosessorkraft på sikt kan bli raskere og mer energieffektiv, men for å prøve å forstå hvordan det egentlig fungerer må vi gå grundig til verks.

Vi kan like greit innrømme det først som sist: Dette er forholdsvis tungt stoff – går man i dybden på lys blir det gjerne litt komplisert. Men det er spennende saker, så prøv å heng med.

Vi starter med noe som er greit å forstå: Lys går veldig fort, i vakuum har det en hastighet på drøyt én milliard kilometer i timen.

• Les også: Fikk Nobelpris i fysikk for å vise at nøytrinoer har masse

Denne hastigheten kan vi utnytte ved å i mikrochiper erstatte elektronene med de mye kjappere lysfotonene, for på den måten å sende informasjon raskere.

For at vi skal få til dette er vi avhengige av å være i stand til å fange inn og manipulere lyset på nanonivå, noe som har vist seg å være vanskelig.

Nå har forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utviklet et stoff som både lar oss manipulere lyset, og – litt enkelt sagt – gjør at det kan gå i uendelig hastighet.

– Særere enn sært

Eric Mazur og kollegaene hans har lagd et metamateriale, altså et materiale med egenskaper vi ikke finner i naturen, av små silisiumstolper bygd inn i en polymermatrise, kledd i en tynn gullfilm.

Vi har fra før ulike typer metamateriale som for eksempel bøyer lys bakover, eller får det til å skli rundt ting sånn at de blir usynlige.

– Lys er vanligvis ikke særlig glad i å bli klemt og forandret, men dette materialet lar oss manipulere lys fra en chip til en annen – bøye, vri, klemme, og redusere strålediameteren fra makronivå til nanonivå, sier Mazur til physorg.

Materialet, som kan brukes på mikrochiper, har brytningsindeks null – det er dette som er kjernen i nyvinningen. Brytningsindeksen til et materiale sier noe om hvor godt det leder lys. Glass har for eksempel brytningsindeks på omtrent 1,5, det vil si at lyset går én og en halv gang saktere gjennom glass enn det gjør i vakuum, som da har brytningsindeks 1.

– Ved brytningsindeks null begynner lys å oppføre seg særere enn sært, det blir som om du tar en bit lys og sprer den ut over hele den aktive delen av chipen, forklarer fysiker Bjørn Hallvard Samset.

Det merkelige lyset

Men her må vi bremse opp litt og gå begrepene nærmere etter i sømmene. For lyset går egentlig ikke «saktere» gjennom ulike materialer. Fotonene absorberes og re-emitteres, dermed virker det som om lyset går saktere, selv om fotonene alltid går med lyshastigheten.

Vanligvis trenger vi ikke å forholde oss til denne i utgangspunktet ganske akademiske forskjellen, men akkurat når det kommer til brytningsindeks null har vi ikke noe valg.

Lyset kan sies å ha to hastigheter. Fasehastigheten er farten bølgetoppene i lyset brer seg med. Denne hastigheten er ikke reell, og kan i prinsippet gå uendelig fort.

• Les også: No kan du lage di eiga usynlegheitskappe

Gruppehastigheten er derimot høyst reell – det er farten til et foton, og den er alltid lik lyshastigheten.

Selv om fasehastigheten er høyere enn lyshastigheten betyr ikke det at Einstein tok feil da han postulerte at lyshastigheten er grensen for hvor fort vi kan flytte informasjon, fasehastigheten har nemlig ikke med seg denslags.

Hvis du synes dette er vanskelig å forstå så er ikke det så rart – lys er ikke lett å få ordentlig tak på, og det er det særlig én grunn til.

– Det problematiske er at vi forsøker å se på lys som enten en bølge eller en partikkel. Det er verken det ene eller det andre, men noe helt for seg selv, forklarer Samset.

«Utsmurt lys»

Jo høyere brytningsindeksen til et stoff er, desto «saktere» brer lyset seg innover - og omvendt. Dette gjør at lys i et materiale med brytningsindeks null kan sies å bre seg uendelig raskt. Altså – fasehastigheten er uendelig. Fotonfarta får vi som sagt ikke gjort noe med.

– Denne typen utsmurt lys, som kan sies å være alle steder samtidig, er antakelig lettere å manipulere enn standard lys – men like raskt, sier Samset.

Det kan for eksempel komme seg gjennom ekstremt trange bølgeledere, eller ta seg rundt spisse vinkler uten å miste energi.

Han påpeker likevel at dette ikke betyr at man kan kommunisere uendelig raskt.

• Les også: – Et grunnleggende viktig funn

– Endringene vi gjør med lyset kan sies å flytte seg rundt i microchipen med uendelig hastighet, men begrensningen ligger i at en slik endring ikke kan brukes til å formidle informasjon.

Vi har altså en del av lyset som brer seg uendelig kjapt, men ikke den delen vi trenger for å flytte informasjon – dermed kan vi ikke kommunisere i overlyshastighet.

Samset sier at lyshastigheten uansett er vanvittig mye raskere enn teknologien vi i dag har for å skru og vri på lyset, og at transporten i chipen dermed ikke lenger blir begrensningen.

– Ergo: i praksis uendelig hastighet.

Rask og energieffektiv

Men hva er egentlig konsekvensene av dette - hva tjener vi på det? Eric Mazur tror det blir en døråpner.

– Dette materialet gir oss muligheten til å utforske hvilke muligheter brytningindeks null gir oss, og hvordan vi kan bruke det i integrert optikk.

Dette er sannsynligvis ikke noe folk flest bryr seg nevneverdig om, så vi lar Samset komme med sin tolkning.

– Vi ønsker å gjøre prosessorkraft så rask og energieffektiv som mulig. Dette materialet lar oss på sikt gjøre begge deler, sier han.

Veldig mye av det vi omgir oss med til daglig blir smartere, da vi var på CES-messa i Las Vegas i januar og gløttet inn i teknofremtiden hadde særdeles mange av de ulike nyvinningene prefikset «smart». Og smarte dingser – det være seg klokker, briller, kjøleskap, eller fotballer – trenger prosessorkraft.

– Min gjetning er at innen noen tiår så vil alt dette ha små chips i seg som langt overgår dagens kraftigste, og at mange av disse vil være lysdrevne.

Det har vært mye Back to the Future-nostalgi i det siste, men vi tåler én siste referanse.

– Hva med den autokrympende og selvtørkende jakken i Back to the Future, for eksempel? Den er garantert drevet av en slik chip.

Referanse:

Yang Li m.fl: On-chip zero-index metamaterials. Nature Photonics, oktober 2015. doi:10.1038/nphoton.2015.198. Sammendrag.