Zadnjih je mjeseci toliko značajnih događaja u fizici da se teško odlučiti kojega treba posebno istaći. No objava grupe danske fizičarke, Lene Vestergaard Hau, s Rowland Instituta za znanost u Cambridgeu, Massachusetts, USA, o usporavanju svjetlosti pri prolasku kroz ultrahladnu atomsku paru, na brzinu od svega 17 m/s, svakako odskače od svega ostalog po svojoj bizarnosti i dalekosežnosti (Nature 18, Feb. 1999, p. 594).

Svjetlost i posebno njena brzina, u žarištu su interesa fizičara od početaka fizike kao znanosti. Od potrebe poznavanja točnog iznosa do pitanja zašto je brzina svjetlosti u vakuumu konstantna, ili da li je oduvijek bila iznosa kakvog je danas. Danas je brzina svjetlosti u vakuumu poznata s preciznošću do osme znamenke (299 792 458 m/s). Jednako tako se zna da svjetlost kroz tvari prolazi sporije, npr. brzina žute svjetlosti (589 nm) kroz vodu je 2.25 108 m/s ili kroz dijamant 1.24 108. Parametar koji mjeri karakteristiku tvari je indeks loma n (omjer brzine u vakuumu i grupne brzine u sredstvu), za zrak 1.0003, za vodu 1.33, za dijamant 2.42. Dakle ako promatrate neku bljeskalicu svjetlosti kroz posudu s vodom, svjetlost (bljesak) će stići ranije nego ako u bljeskalicu pogledate kroz dijamant. (priznajem da nikad nisam imao dijamant u rukama, ali tako se može zaključiti iz onog što piše u knjigama).

Već neko vrijeme fizičari koji rade u području kvantne optike, pokušavaju stvoriti takve uvjete u kojima će efektivno povećati indeks loma tvari. To se pokušava pomoću elektromagnetski inducirane propusnosti, kvantnog efekta koji omogućava širenje svjetlosnih pulseva kroz medij koji je inače nepropustan. Jedan laserski snop (ili elektromagnetsko polje) upotrebljava se za promjenu koeficijenta apsorpcije i indeksa loma kako ga vidi drugi laserski snop omogućujući mu prolaz kroz medij. Horizontalna strelica predstavlja puls tzv. probnog laserskog snopa, kosa strelica snop tzv. vezujućeg lasera (engl. coupling laser). Kad nema "vezujućeg" lasera, probni laser, ugođen na centralnu frekvenciju prijelaza |1>-> |3> ne prolazi kroz gusti medij. Jaki "vezujući" laserski snop, ugođen na prijelaz |2>-> |3> inducira kvantnu interferenciju između stanja medija |1> i |2> i medij postaje transparentan za frekvenciju probnog lasera.
To omogućava prolaz probnog snopa kroz medij, ali s određenim kašnjenjem. Do nedavno "rekord" je držala grupa S.E. Harrisa sa Stanfordskog sveučilišta, usporivši brzinu svjetlosti 165 puta u gustim parama olova, što je stvaralo kašnjenje od pedesetak nanosekundi kroz stupac pare od 10 cm.

Postignuće grupe Lene Vestergaard Hau je u primjeni te sheme na prolaz svjetlosti kroz medij na vrlo niskim temperaturama (nanokelvin), gdje je moguće postići vrlo strmu promjenu indeksa loma u ovisnosti o frekvenciji probnog snopa. To uz velike gustoće atoma rezultira izuzetno malim brzinama svjetlosti pri prolazu kroz takav medij. Medij u ovom slučaju je oblačak pare natrijevih atoma ohlađen na nanokelvinske temperature. (O hlađenju atoma i BEC-u pogledajte npr. ovdje - zadnja referenca on-line). Cirkularno polariziranom pulsu probnog lasera bilo je potrebno oko 7 mikrosekundi da prođe kroz oblak hladnih atoma promjera svega 0.2 mm. Autori predviđaju da će ovako velika optička nelinearnost biti od velikog fundamentalnog i tehnološkog značaja u kvantnoj optici. Važno je napomenuti da samo postizanje Bose-Einsteinove kondenzacije nije presudno za usporavanje svjetlosti, značajno usporavanje se opaža već i prije postizanja kritične temperature potrebne za BEC.

Vrlo je zanimljiva ta igra atoma i laserskog svjetla. Prvo su laseri poslužili za izolaciju i gotovo potpuno usporenje atoma (BEC - vidi prvu vijest u ovoj rubrici ovdje ), da bi sad ti ultrahladni atomi poslužili za gotovo pa zaustavljanje laserske svjetlosti (fotona). Primjene ovog najnovijeg otkrića već se spominju, u naprimjer interferometriji ili optičkoj pohrani podataka. No kad su otkriveni laseri, prije 40 godina, malo je tko mogao predvidjeti (bolje reći nitko i nije) primjene koje laser, kao izvor koherentnih fotona, danas ima. Otkriće ovako izuzetne optičke nelinearnosti hladnog oblaka natrijevih atoma, predstavlja sistem koji omogućava snažno vezanje između parova fotona, čestica koje inače ne mogu jako međudjelovati. Takvo neuobičajeno stanje za fotone tek će trebati istražiti. Možda tragači za aksionima, hipotetskim česticama, dođu na svoje (vidi prethodnu vijest u ovoj rubrici o tamnoj tvari ovdje ).

Vijest o usporenom svjetlu na stranici CNN-a (slike i video iz laboratorija) ovdje
The Rowland Institute for Science
Više o elektromagnetski induciranoj propusnosti ovdje ili ovdje
Možda najkompletniji pregled događanja u području Bose-Einsteinove kondenzacije ovdje
Stephen E. Harris, Electromagnetically Induced Transparency, Physics Today, July 1997., p. 36.
S. Milošević, Bose-Einsteinova kondenzacija u razrijeđenim parama: novo makroskopsko kvantno stanje materije, Matematičko-fizički list, GOD. XLIX, Zagreb, 1998.-99 3/195, str. 129.

Pripremio: Dr. Slobodan Milošević , Institut za fiziku, Zagreb, ožujak 1999.