Nollakertoimen metamateriaali

Voiko valon nopeus olla ääretön?

Kyllä voi, mutta ei hätää, Albert Einstein on edelleen oikeassa: valon nopeus on ehdoton kattonopeus informaation siirtymiselle. Valo etenee tyhjiössä 299 792 kilometrin sekuntinopeudella, mutta valolla on tämän ryhmänopeuden eli energian siirtymisnopeuden lisäksi myös vaihenopeus. Ja se voi vaihdella.

Vaihenopeus kertoo, millä nopeudella jokin valoaallon osa, esimerkiksi aallonharja, etenee. Se puolestaan riippuu väliaineesta. Esimerkiksi vedessä valoaallot lytistyvät kasaan ja aallonharjat lähestyvät toisiaan. Silloin valon vaihenopeus pienenee. 

Väliaineen taitekerroin ilmoittaa, kuinka paljon vaihenopeus siinä muuttuu: mitä suurempi kerroin, sitä enemmän vauhti hidastuu. Veden taitekerroin on noin 1,3 ja esimerkiksi ikkunalasin 1,5. 

Tyhjiön taitekerroin on yksi, joten siinä valon vaihenopeus on suurin mahdollinen. Paitsi että… Entä jos taitekerroin on pienempi kuin yksi – tai peräti nolla?

Silloin tapahtuu kummia. Valoaallon vaiheet eivät enää olekaan etenevässä liikkeessä, joten valo ei kulje aaltona. Jos aineen taitekerroin on nolla, valon vaiheet muuttuvat pysyviksi ja aallonpituus kasvaa äärettömäksi.  

Eric Mazurin johtama tutkijaryhmä on kehittänyt metamateriaalin, jonka taitekerroin todella on nolla eli valoaallon vaihe voi periaatteessa kulkea siinä äärettömän nopeasti.  

Tällaista pysyvää aaltoa on mahdollista käsitellä aivan toisella tavalla kuin "tavallista" valoa. Ja mikä tärkeintä, valoa manipuloitaessa energiaa ei häviä. Uudella materiaalilla voi olla suuri merkitys kvanttitietokoneiden kehittelyssä.

Tulevaisuudessa elektroniikka korvautuu yhä yleisemmin fotoniikalla, missä elektronien tilalla on valo ja sen hiukkaset eli fotonit. Esimerkiksi tietokoneissa valon avulla on mahdollista siirrellä tietoa paljon nopeammin kuin perinteisten elektronisten komponenttien avulla. Ongelmana on kuitenkin valon kimurantti luonne.

"Valo ei pidä puristelusta tai muokkaamisesta, mutta uuden metamateriaalin avulla on mahdollista manipuloida mikrosirusta toiseen kulkevaa valoa: puristaa sitä kasaan, taivuttaa, kiertää ja pienentää valonsäteen läpimittaa makroskaalasta nanoskaalaan", kuvailee Mazur.

"Optisten piirien käyttöä rajoittaa tavallisten piiaaltoputkien heikkous ja tehottomuus energian säilyttämisessä", toteaa Yang Li, joka oli mukana Mazurin tutkijaryhmässä. 

"Nollakertoimen metamateriaali tarjoaa ratkaisun sähkömagneettisen energian säilymiseen erilaisissa aaltoputkirakenteissa, koska sen korkea sisäinen vaihenopeus mahdollistaa esteettömän valon etenemisen."

Uusi metamateriaali rakentuu polymeeriin upotetuista piipilaririveistä, jotka on peitetty ohuella kultakalvolla. Sitä voidaan käyttää piistä valmistetuissa aaltoputkissa, jotka ovat liitettävissä optisiin piireihin.

"Uusi tekniikka voisi parantaa kvanttibittien välistä lomittumista, sillä valoaallot leviävät käytännössä äärettömän pitkiksi, jolloin kaukana toisistaan sijaitsevat hiukkasetkin voisivat lomittua", arvioi tutkijaryhmään kuulunut Philip Munoz.  

Hiukkasten ollessa lomittuneita voidaan yhtä hiukkasta tutkimalla saada tietoa myös muiden hiukkasten vastaavista ominaisuuksista. Kuulostaa tieteistarinoinnilta, mutta kvanttimekaniikassa esiintyy arkimaailmaan verrattuna omituisia ilmiöitä.

Uudesta metamateriaalista kerrottiin Harvardin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Photonics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Peter Allen/Harvard SEAS  

 

Juttuja samasta aiheesta