Światło w nowym świetle. Fotony pełne tajemnic
To prawda, że dokonaliśmy przełomu za przełomem w jego wykorzystaniu, od oświetlenia po komunikację, od badania mikro- i makrowszechświatów po skanowanie naszych własnych ciał. Rozumiemy, że światło (1) jest falą elektromagnetyczną, dzięki Jamesowi Clerkowi Maxwellowi i że można je rozumieć również jako kwantowe pakiety energii elektromagnetycznej zwane fotonami.
Jednak im bardziej przyglądamy się światłu, tym więcej widzimy i tym więcej się uczymy. Na przykład odkrywamy, że zaginanie światła to droga do niewidzialności. Zasadniczo i teoretycznie taka forma czapki niewidki polega na tym by przechwytywać przychodzące promienie i zaginać je lub załamywać w taki sposób, by podróżowały wewnątrz peleryny i wyłaniały się potem na swoich pierwotnych ścieżkach. Obserwator, widząc coś, co wygląda jak światło przez nic niezakłócone, myśli, że nic tam nie ma. Trafna wydaje się analogia z płynącą wodą rozdzielająca się wokół kamienia w rzece, a następnie łączącą się ponownie, bez trwałego śladu istnienia kamienia. Aby jednak światło mogło podążać tak złożoną ścieżką, peleryna musi być wykonana z tzw. metamateriału (2).
Naukowcy po raz pierwszy przetestowali ten pomysł w 2006 roku za pomocą sztywnej powłoki metamateriałowej, wydrążonego cylindra, którego ściana zawierała tysiące małych struktur, które sprawiały, że mikrofale przemierzały odpowiednie ścieżki w ścianie. Umieszczona wokół nieprzezroczystego metalowego obiektu powłoka sprawiła, że obiekt niemal całkowicie zniknął pod wpływem promieniowania mikrofalowego. Od tego czasu uczeni udowodnili, że pod taką czapką niewidką mogą znikać małe przedmioty nieożywione, a także ryby, koty i dłonie znikają w zwykłym świetle widzialnym, choć tylko wtedy, gdy patrzy się na nie pod wąskim kątem widzenia. Inni opracowali elastyczną pelerynę, która owija się wokół małego obiektu, by zniknął, ale tylko na jednej długości fali. Nauka nie jest jeszcze w stanie stworzyć peleryny, która całkowicie ukrywa obiekt czy osobę w zwykłym świetle, ale badania nad niewidzialnością rozkwitają.
Podobnie jak rzucane kamienie, fotony niosą ze sobą pęd, który przenoszą na obiekt w momencie uderzenia. Ciśnienie promieniowania sprawia, że światło słoneczne rozciąga ogony komet od Słońca i może napędzać statki kosmiczne. W 2010 roku Japońska Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (JAXA) wystrzeliła IKAROS (Interplanetary Kitecraft Accelerated by Radiation of the Sun, na cześć Ikara, który według mitu przeleciał w pobliżu Słońca). Zainstalowany na nim cienki polimerowy żagiel wielkości kortu tenisowego zbierał fotony słoneczne, które wspólnie wywierały niewielką siłę, która przyspieszała IKAROS. Sześć miesięcy i 300 milionów kilometrów później dotarł do celu w pobliżu Wenus bez użycia paliwa do napędu.
Co ciekawe, źródło światła może również przyciągać obiekt do siebie, w kierunku przeciwnym do kierunku propagacji światła. Efekt ten jest wystarczająco silny, aby przyciągnąć mikroskopijny obiekt, np. żywą komórkę, w kierunku lasera. W 2023 roku jeden z eksperymentów wykazał, że laser o niskiej mocy może przyciągnąć stosunkowo duży obiekt makroskopowy o wymiarach kilku milimetrów. Może to dać nam nowy sposób zdalnego pobierania próbek atmosfery na Ziemi i innych planetach i np. z ogonów komet.
Kolejne zaskakujące zjawisko związane ze światłem to „obrazowanie duchów”. Załóżmy, że chcemy stworzyć obraz czegoś takiego jak żywa komórka, która może zostać zmieniona lub uszkodzona przez energię świetlną działającą bezpośrednio. „Obrazowanie duchów” wykorzystuje zjawisko splątania fotonów w celu uzyskania doskonałego obrazu słabo oświetlonego obiektu. Splątane pary fotonów, które powstają w wyniku procesów optycznych, są skorelowane kwantowo, tak że pomiar właściwości jednego z nich natychmiast ujawnia właściwości drugiego, bez względu na odległość. Komputerowa analiza korelacji między wynikami dwóch detektorów tworzy obraz obiektu, nawet przy słabym oświetleniu.
W 1999 roku Lene Hau spowolniła światło do prędkości 60 kilometrów na godzinę. Później Hau przebiła to, zatrzymując światło w ogóle, a następnie odzyskując je i wysyłając w dalszą drogę. Niedawno okazało się, że fotony można kondensować, tworząc „płynne światło”. Jest to forma kondensatu Bosego–Einsteina, którą badacze z uniwersytetu w Twente zademonstrowali w temperaturze pokojowej. W tym celu stworzyli mikrozwierciadło z kanałami, przez które fotony przepływają jak ciecz. Według opisu badań w „Nature Communications” fotony mogą w tej sytuacji wykazywać zachowania zbiorowe, tworząc niejako skoordynowaną grupę.
Kondensat Bosego–Einsteina (BEC) jest zazwyczaj rodzajem fali, w której nie widać już oddzielnych cząstek. Jest to fala materii, nadciecz, która zwykle powstaje w temperaturach bliskich zera absolutnego. Jan Klärs i jego zespół z Twente uważają, że fotony w stanie nadciekłym mogą posłużyć do budowy superwydajnej maszyny matematycznej do rozwiązywania złożonych problemów.
To tylko niektóre przykłady nowych, zaskakujących cech i zachowań światła. A, jak się wydaje, jest to dopiero początek nowej ery badań na tym rodzajem promieniowania.
Mirosław Usidus
