Yavaş ışık

Yavaş ışık, çok düşük grup hızlarında oluşan optiksel titreşimin ya da optiksel taşıyıcının geçişinin yayılımı. Yayılma meydana gelirken yayılım titreşimi boşlukla etkileşimde bulunduğundan büyük ölçüde yavaşlar ve yavaş ışık bu sayede oluşmuş olur.

1998’de, Danimarkalı fizikçi Lene Vestergaard Hau, Harvard Üniversitesi ve Rowland Bilim Enstitüsünden bir takımın öncülüğünü yaparak, bir ışık demetini saniyede 17 metre kadar yavaşlatmıştır.

2004 yılında, Berkeley Kaliforniya Üniversitesi’ndeki araştırmacılar da ışığı bir yarı iletkenin içinden geçirerek saniyede 9.7 kilometre kadar yavaşlatmıştır. Hau daha sonra ışığı tamamen durdurmayı başarmış, ve ışığın durdurulup tekrar harekete başlatılmasını sağlayan yöntemler geliştirmiştir. Bu çaba enerji tasarrufu sağlayabilecek bilgisayar ve makine geliştirebilmek içindir.

2005 yılında, IBM oldukça eski moda olan standart malzemelerden ışığı yavaşlatan bir mikroçip yaratmış ve mikroçipin reklamını yaparak ticari olarak benimsenmesinin önünü açmıştır.

Işık bir maddenin içinden geçtiğinde boşluktaki hızından daha yavaş bir hızla hareket eder. Bu ışığın faz hızındaki değişim ve ışığın kırılması gibi fiziksel etkilerle alakalıdır. Hızdaki bir indirgenme ışığın boşluktaki hızı ve faz hızı arasındaki oran ile ölçülür. Bu orana maddenin kırılma dizini denir. Yavaş ışık, ışığın faz hızındaki değil, grup hızındaki çarpıcı indirgemenin sonucudur.

Işığın en basit tanımı; klasik fizikte, elektromanyetik alandaki arıza ya da dalga olarak yapılabilir. Maxwell’in denklemleri, boşlukta bu arızaların belirli bir hızda yani c ile hareket edeceğini öngörmüştür. Bu fiziksel sabit ışığın hızı olarak bilinir ve ışığın hızı olarak gösterilir. Özel göreliliğin özü olan, eylemsiz referans çerçevelerinde ışığın hızının sabit olarak ön görülmesi “ışığın hızı her zaman aynıdır” düşüncesinin yaygınlaşmasını sağlamıştır. Ancak, elektromanyetik alanda ışık arızadan çok daha fazlasıdır.

Boşluktaki yayılıma ek olarak, ışık ortam olarak tanımlanabilecek birçok çeşit maddenin içinden yayılabilir. Işığın ortamdaki hareketi, artık sadece elektromanyetik alandaki bir arıza değil, aynı zamanda yüklü maddelerin içindeki yüklü parçacıkların (elektronlar) hareketleri ve konumlarıyla da alakalı bir arızadır. Elektronların hareketi (Lorentz Kuvveti’ne göre) alan yoluyla hesaplanır, ancak bu alan elektronların hızları ve konumlarına göre hesaplanır (Gauss ve Amper kanunlarına göre). Birleştirilmiş elektromanyetik yük yoğunluk alanının (örneğin; ışık) arızasının durumları hala Maxwell’in denklemleri ile hesaplanmasına rağmen, çözümleri alan ve ortam arasındaki bağlantı yüzünden oldukça zordur.

Işığın madde içindeki davranışını anlamak için zamanın sinüs eğrisi şeklinde olan fonksiyonlarındaki arıza çeşitleri sınırlanarak basitleştirilmiştir. Bu tür arızalar için, Maxwell’in eşitlikleri cebirsel eşitliklere dönüştürülmüş ve bu sayede kolayca çözülebilmiştir. Bu özel arızalar, faz hızı diye adlandırılan ışığın boşluktaki hızından düşük hızlarla maddelerin içinden yayılım yapmaktadırlar. Faz hızı ve ışığın boşluktaki hızı arasındaki orana ise kırıcı bağlantı ya da maddenin kırıcılığının bağlantısı denir. Kırıcı bağlantı verilen madde için sabit olmamakla beraber; sıcaklığa, basınca ve ışık dalgasının frekansına bağlıdır. Bu da saçılım denilen etkiye neden olur.

İnsanlar sinüssel arızayı ışığın parlaklığı ve frekansı ise renk olarak algılar. Eğer ışık belirli bir zaman için açık-kapalı olarak ayarlanırsa, sinüssel arızanın genliği de zamana bağlı olmuş olur. Zaman değişkenli genlik faz hızında değil grup hızında yayılır. Grup hızı; maddenin sadece kırıcı bağlantısına değil, ayrıca frekanslar değişen kırıcı bağlantıya da bağlıdır (örneğin; frekansa göre kırıcı bağlantının türevi). Yavaş ışık, ışığın grup hızındaki büyük miktardaki indirgenme olarak ifade edilir. Eğer kırıcı bağlantının saçılım bağıntısı, frekansın küçük oranlarda düzenli olarak değiştiği gibi değişiklik gösterirse kırılma bağlantısı hala tipik bir değer olmasına rağmen grup hızı, boşluktaki ışık hızından çok çok daha küçük bir değerde olabilir.

Yavaş ışığı meydana getirebilen birçok yöntem vardır, bu yöntemlerin yüksek saçılımlı, dar tayfsal bölgelerdir (örneğin; saçılım bağıntısındaki tepe noktaları) Bu yöntemler genel olarak iki şekilde kategorilendirilebilir: madde saçılımı ve dalga kılavuzu saçılımı. Elektromanyetiksel Uyarılmış Şeffaflık, Uyumlu Kütle Salınımı ve çeşitli Dört Dalga Karışımı gibi maddesel saçılımlar optiksel frekansın kırılma bağlantısında anlık değişimler üretir (örneğin; yayılan dalganın bileşenini geçici olarak değiştirirler). Bu, ortamın çift kutup müdahalesini değiştirmek için ya da inceleme alanına sinyal göndermek için doğrusal olmayan etkiler kullanılarak yapılır. Fotonik kristaller, Eşlenmiş Rezanatör Optiksel Işık Kılavuzları ve diğer mikro rezanatör yapıları gibi ışık kılavuzu saçılımı yöntemler, yayılan dalgaların konumsal bileşenlerini değiştirirler. Yavaş ışık, aynı zamanda tekli negatif metamaddelerin ya da çift negatif metamaddelerin fark edilmesiyle düzlemsel ışık kılavuzlarının saçılım özelliklerinden istifade edilerek de bulunabilir.

Baskın ve kaydeğer yavaş ışık şemalarından biri Gecikme-Kuşak Genişliği Bileşkesidir. Birçok yavaş ışık şeması verilen aletin uzunluğuna göre, kuşak genişliği kadar olan, rastgele uzun gecikmeler öne sürer. (uzunluk/gecikme= sinyal hızı) İkisinin bileşkesi çok nadir sabittir. Değerin bağlantılı rakamı kesirli gecikmedir, zaman ise toplam titreşim süresinin gecikme titreşimine bölünmesiyle bulunur. Plazmon uyarılmış şeffaflığı – Elektromanyetik Uyarılmış Şeffaflığın benzeri- farklı salınım şekilleri ile yıkıcı müdahaleye dayanan bir yaklaşım sağlar. Son çalışmalar, tahtanın şeffaflığının camın şeffaflığına göre 0.40 THz daha büyük bir oranda frekans etkisi olduğunu ispatlamıştır.

Yavaş ışık, her türlü bilginin daha etkili bir biçimde iletilmesi için parazit seslerin oranını düşürmek için kullanılabilir. Ayrıca, yavaş ışık tarafından kontrol edilen optiksel anahtarlar, bilgisayarlardan telefon ekipmanlarına kadar şu an her şeyi yöneten anahtarlardan çok daha az güç gerektirdiğinden tasarruf sağlayabilir. Şebekelerdeki akış trafiği de ışığın yavaşlatılmasıyla çok daha düzgün yönetilebilir. Aynı anda, yavaş ışık sayesinde, geleneksel girişimölçerlere göre frekans kaydırmada çok daha hassas olan girişimölçer inşa edilebilir. Bu özellik yüksek çözünürlüklü tayfölçer ve küçük frekans alıcıları inşa etmek için kullanılabilir.