Bromsat ljus ger bättre bilder och tidmätning

När några forskare i Lund studerade en speciell typ av kristallmaterial upptäckte de till sin förvåning att det kunde bromsa ljusets hastighet till en tiotusendel. Nu ska de utforska användningsområdena. Bättre tidmätning och tydligare bilder av blodkärl och inre organ är två möjligheter.

Projektanslag 2016

A new generation of slow light systems

Huvudsökande:
Professor Stefan Kröll, Lunds universitet

Medsökande:

Lunds universitet
Lars Edvinsson
Mats Gustafsson
Solveig Melin

Tyndall National Institute and University College Cork
Stefan Andersson-Engels

Caltech
Lihong Wang

Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris
Philippe Goldner

Observatoire de Paris
Yann Le Coq

Lärosäte:
Lunds universitet

Beviljat anslag:
36,4 miljoner kronor under fem år

I flera år har Lundaforskarna arbetat med nya typer av material som de bearbetat på atomnivå. De ville skapa en typ av kristaller genom att mycket exakt ändra energin hos vissa atomer i materialet, så att det släpper igenom ljus av en bestämd frekvens.

När de lyckades hände något överraskande.

– Av en slump visade det sig att ljuset som trängde igenom kristallen också saktade ner kraftigt. I material som glas eller vatten saktar ljuset ner till drygt halva hastigheten. Men i vårt material blev hastigheten en tiotusendel, säger Stefan Kröll.

Han är professor vid avdelningen för atomfysik vid Lunds universitet och samordnar nu en grupp forskare från Lund med kollegor i Kalifornien och Paris. Med hjälp av anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ska de gemensamt utforska hur det långsamma ljuset kan användas.

Nya bild- och behandlingsmöjligheter

Ett möjligt användningsområde är medicinska bildtekniker. Många forskargrupper skulle vilja kunna skicka laserljus genom kroppen och analysera det när det tränger ut på andra sidan, för att exempelvis få bilder av förändringar i organ.

Problemet är att ljuset sprids i vävnaden och byter riktning flera gånger. Det är därför nödvändigt att hitta ett sätt att identifiera vilket ljus som verkligen har trängt igenom den del av kroppen som man vill undersöka.

En lösning är att också skicka en ultraljudspuls mot det område som ska undersökas. När ljusets och ljudets väg korsas, ändras ljusets frekvens en smula. På så vis vet man vilken del av det utgående ljuset som har passerat det man vill studera; det är det som har en ny frekvens. Men det här är komplicerat att göra i praktiken. Det skiftade ljuset utgör nämligen en minimal del av det totala ljuset, och är svårt att urskilja. Det är där Lundaforskarnas material kommer in i bilden.

– Våra kristaller fungerar som ett filter som släpper igenom den skiftade frekvensen, och dämpar övrigt ljus kraftigt. Men trots dämpningen kommer mycket oskiftat ljus igenom. Då får man nytta av bromsningen. Eftersom det är det skiftade ljuset som vi utformat kristallen för, är det enbart det som bromsas. Så det kommer ut långt efter det oskiftade, säger Stefan Kröll.

Enligt forskarnas beräkningar borde den tänkta metoden ge betydligt bättre bilder inifrån kroppen än dagens.

– Dessutom försöker vi hitta ett sätt att göra ljuset mer fokuserat med hjälp av kristallerna. Det vore bättre om det gick i en rak stråle istället för att studsa runt inne i vävnaden. Men vi vet inte ännu om det kommer att fungera, säger Stefan Kröll.

En sådan teknik skulle till exempel kunna göra det möjligt att behandla cancertumörer djupt inne i kroppen med laserljus.

Tidmätning bygger på frekvenser

Ett helt annat användningsområde för det bromsade ljuset är tidmätning. Vi behöver mäta tiden mycket exakt för att exempelvis GPS och andra navigationssystem ska fungera, liksom snabb datakommunikation.

Tid mäts i praktiken genom att man på olika sätt mäter frekvenser. Den gamla sortens pendelur, som Moraklockor, bygger på pendelns frekvens. Dagens tidmätning bygger istället på atomer som sänder ut ljus med en mycket exakt frekvens.

För att vara säker på att systemet ger rätt information behöver man upptäcka om frekvensen ändras. Men en mätning direkt i atomsystemet orsakar en störning. För att slippa göra det oftare än nödvändigt bygger man ett slags kontrollstation. Det är en hålighet, en så kallad kavitet, som ljuset leds igenom. Kaviteten görs exakt så lång så att den motsvarar ett bestämt antal svängningar av ljuset, vilket betyder att det bildas en stående våg. Om frekvensen ändras blir det ingen stående våg, vilket är en signal om att det är dags att gå in och mäta i systemet.

Kristallerna skulle kunna ge stabilare system

Tyvärr kan den stående vågen försvinna på ett sätt till, nämligen om själva kavitetens längd ändras. Eftersom det handlar om otroligt små ändringar, mindre än radien på en atomkärna, är det rent praktiskt svårt att hålla kaviteten tillräckligt stabil. Temperaturförändringar eller ändringar i lufttryck kan räcka, därför hålls kaviteten i vakuum.

Här skulle man kunna få nytta av en annan egenskap hos det nya materialet från Lund. Om man låter ljuset gå genom en av kristallerna istället för genom en hålighet, minskar nämligen känsligheten för längdändringar omkring tiotusen gånger. Det betyder att marginalerna blir tiotusen gånger större. Kanske skapar det möjligheter för ett helt nytt och mer stabilt system för att mäta tid.

– Det finns garanterat många utmaningar i detta som vi inte ens har kommit på än. Men det finns en stor potential, så det är helt klart värt att undersöka. Precis som det här med att få ljuset att gå en kortare väg i vävnad… Det är en rätt vild idé. Men vi vill i alla fall titta närmare på den, säger Stefan Kröll.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström