lyset-sig-der-51.html
vb 504544 DTU bog
52 / 54
lang
som
t lys skaber et nært venskab mellem atomer og fotoner som illustreret i figur 1 kan
materialet i midten af membranen ændres. for eksempel kan der her indlejres et materiale, som kan forstærke lyset. denne proces er illustreret i figur 2. hvis et atom til
føres ekstra energi, kan det eksistere i en såkaldt exciteret, ustabil tilstand, hvor der er elektroner, som har en ekstra energi. hvis man lyser på et sådant atom, kan atomet henfalde til sin naturlige tilstand, men under udsendelse af den overskydende energi som lys. denne proces kaldes stimuleret emission og er illustreret ved, at en lyspartikel ? en foton ? rammer atomet og får det til at udsende en ny foton, som er fuldstændig identisk med den oprin- delige. hvis lyset passerer gennem et materiale med mange atomer, kan styrken øges eksplosivt i en lavine- effekt: den første foton leder til 2 fotoner, som leder til 4 fotoner, som leder til 8 fotoner osv. denne effekt benyttes til at realisere optiske forstærkere, som sørger for, at data, der transmitteres rundt i internettet, ikke ?dør ud?, før de når frem til modtageren. det er også stimuleret emission, der anvendes i lasere, som genererer de datapulser (bits), der transporteres rundt i internettet. så hvor kommer det langsomme lys ind? i udgangs- punktet vekselvirker en lysstråle ikke særlig kra?igt med et enkelt atom, idet atomet er af en størrelsesorden på nogle få nanometer, mens lysbølgelængden er af en størrelseordenen på 1 mikrometer (0,000001 m), altså tusind gange større. de optiske (fiber)forstærkere, der benyttes i internettet, er derfor mange meter lange. hvis lyset udbreder sig langsomt forbi et atom, får fotonerne og elektronerne imidlertid meget længere tid til at ?tale sammen?, og dermed kan sandsynligheden for, at atomet udsender lys ved en stimuleret emissionsproces, øges mange gange. som vi har demonstreret eksperimentelt 1 , muliggør dette en meget stor forstærkning i selv en ganske lille komponent. der åbnes derved mulighed for, at der kan realiseres optiske forstærkere, der er så små, at de kan integreres på en lille chip. dette er en vigtig funktionalitet, hvis man ønsker at realisere såkaldte fotoniske chips, hvor der benyttes fotoner i stedet for elektroner til at behandle data. hvorfor benytte fotoner i stedet for elektroner? det er opfindelsen af transistoren og integrerede elektro- niske kredsløb, som har muliggjort de pc?ere, tablets, mobiltelefoner osv., som er en så integreret del af vores arbejdsliv og fritidsliv i informationssamfundet. men uden optiske fibre og fotoner til at transportere data ville det ikke have været muligt at realisere det globale internet. lige så snart datahastigheden eller afstanden bliver stor, omformes det elektriske signal til et optisk signal bestående af lyspulser, som sendes gennem det optiske fibernet og igen omdannes til elektriske signaler. i informationssam- fundet er der således opstået en ?arbejdsdeling? mellem elektroner og fotoner: elektroner benyttes til at manipulere/processere data, og fotoner benyttes til at transportere data. omformningen mellem elektroner og fotoner, som sker i lasere (fra elektroner til fotoner) og fotodetektorer (fra fotoner til elektroner), begrænser imidlertid o?e den hastighed, hvormed data kan behandles eller ?downloades?. der er derfor en stor interesse i at rykke ?arbejdsdelingen? lidt. hvis vi kunne benytte fotoner til simple former for databehandling, ville det kunne øge internettets hastighed væsentligt. og her kommer langsomt lys ind. i modsætning til elektroner, vekselvirker fotoner ikke direkte med hinanden. to lysstråler kan passere igennem hinanden, uden at de påvirkes, og det er derfor, de er så gode til at transportere data. men hvis lyset udbreder sig langsomt i et materiale, kan det vekselvirke meget effektivt med atomerne i dette materiale således som illustreret ovenfor i forbindelse med optisk forstærkning. på lignende vis kan to lysstråler ? måske ? bringes til at vekselvirke effektivt med hinanden, hvis de begge ?taler? med de samme atomer. hvis man ad denne vej kunne realisere en ultrahurtig optisk transistor, hvor én lysstråle effektivt kontrollerer en anden, ville det lede til en helt ny generation af fotoniske chips og åbne mulighed for en række spændende nye anvendelser. konkluderende kan det siges, at langsomt lys er en fascinerende fysisk effekt, som udfordrer vores måde at beskrive og tænke på lys. nye udviklinger inden for nanofabrikation har gjort det muligt at fremstille fotoniske krystalstrukturer ? hullede materialer ? hvori vi kan nedsætte lyshastigheden og øge vekselvirkningen med lys og materiale. det er allerede demonstreret, at dette kan udnyttes til at fremstille ultrakorte optiske forstærkere, som kan indgå i fotoniske kredsløb, og mange andre anvendelser synes mulige. figur 2: figuren øverst illustrerer stimuleret emission: en foton rammer et atom, som er exciteret til en højere energitilstand, hvorved atomet udsender den overskydende energi i form af en ny foton, som er en eksakt kopi af den indkommende foton. hvis lysstrålen bevæger sig gennem et materiale med exciterede atomer, kan det forstærkes i en lavineproces. illustrationen nedenunder er for et almindeligt materiale med atomer, mens figuren nederst viser effekten af langsomt lys: hvis lyset bevæger sig langsommere, vekselvirker det mere effektivt med atomerne, og den stimulerede emissionsproces foregår oftere. 52 l angsomt lys k an gøre fotoniske kredsl øb hurtigere
hurtigere-fotoniske-kan-53.html