Siden Lene Vestergaard Hau i 1999 sænkede lysets hastighed til cykeltempo i en gas af ultrakolde atomer, har interessen for langsomt lys været enorm.
Læs også: Nu kan lys flyttes, mens det er slukket
Forskere på DTU Fotonik viser nu i en artikel i Nature Communications, at langsomt lys kan udnyttes til at øge forstærkningen i et materiale.
»Det interessante er, at vi kan øge forstærkningen pr. længdeenhed af det aktive materiale samt kontrollere, ved hvilken bølgelængde forstærkningen er højest,« siger Jesper Mørk, der har stået i spidsen for forskningsgruppen.
Han pointerer, at der er tale om et grundvidenskabeligt forskningsresultat, men det åbner for udvikling af kompakte optiske forstærkere med korte lasere (3-4 mikrometer) til tele- og datakommunikation. Det kan også have betydning, hvis man bruge lys til at kommunikere mellem processorer i en computer.
Når Jesper Mørk og de øvrige forskere taler om langsomt lys, er det ikke langsomt i Lene Hau-forstand. Hvor hun reducerede lyshastigheden med mange millioner gange – ja, endog helt har standset lyset – er det langsomme lys hos DTU-forskerne kun godt ti gange langsommere end lysets naturlige hastighed i det pågældende materiale.
Lene Hau måtte benytte et særligt trick, som kaldes elektromagnetisk induceret transparens (EIT), for at sænke lyshastigheden så betragteligt, uden at tabene i materialet samtidig øges dramatisk.
DTU-forskerne undgår dette besvær ved at styre lysets hastighed ud fra de bølgeledende egenskaber af fotoniske krystaller på bekostning af, at det langsomme lys altså ikke bliver ekstremt langsomt.
»I sammenligning med langsomt lys opnået med elektromagnetisk induceret transparens har vi en meget større båndbredde, og det gør det til en mere praktisk anvendelig teknik,« siger Jesper Mørk.
Et halvledermateriale, som er gennemhullet på en regelmæssig måde, udgør en fotonisk krystal, hvor lys med visse bølgelængder ikke kan passere gennem. Jo tættere lysets bølgelængde er på grænsen til det forbudte område, desto højere er det effektive brydningsindeks for lyset. Og da lysets hastighed i krystallen er omvendt proportional med dette effektive brydningsindeks, reduceres hastigheden.
Forsyner man denne fotoniske krystal med aktive elementer i form af kvantebrønde og kvantepunkterne, kan man opnå en forstærkning af lys, der løber gennem krystallen.
Placeringen og størrelsen af hullerne gør det muligt at ændre forstærkningsprofilen.
Opdatering af ældre teori
DTU-forskerne har taget udgangspunkt i en teori fra midten af 1990’erne om muligheden for øget forstærkning i materialer med et fotonisk båndgab.
»Det var dog ikke alle, der var overbeviste om, at dette rent faktisk ville være muligt,« siger Jesper Mørk, som pointerer, at ikke alle typer langsomt lys kan benyttes til at øge forstærkningen. Ved anvendelse af elektromagnetisk induceret transparens bremses lyset således op, ved at det i en del af tiden ‘gemmes’ som en særlig tilstand i materialet, og dette øger ikke forstærkningen.
DTU-forskerne har videreudviklet teorien, og da DTU desuden som et af de få steder i verden besidder en kompetence til at kombinere passive og aktive elementer i fotoniske krystaller, har de nu som de første kunnet vise, at det rent faktisk er muligt at opnå en øget forstærkning af langsomt lys i forhold til ‘almindeligt’ lys.
I den nye artikel beskriver de en ekstra forstærkning på syv gange for det langsomme lys i forhold til ‘almindeligt’ lys. Det betyder, at hvis man ønsker en fast forstærkning i optisk chip, kan den nu være syv gange mindre.
Det næste skridt for forskerne bliver mere indgående at studere korte optiske pulser, der udbreder sig gennem krystallen. Det skal ske med henblik på at undersøge muligheden for at udvikle modulatorer og ultrahurtige switche.
Selv om der altså er praktiske anvendelser i sigte, forventer Jesper Mørk dog, at der vil gå mange år, før aktive fotoniske kredse bliver kommercielle produkter.
Forskningen er støttet af Villum Fonden gennem et Centre of Excellence (Nanophotonics for terabit communications).
