spørgsmål: Hvordan blev du interesseret i fysik?

LENE: Nå, jeg tror, min første interesse var i en vis forstand i matematik går tilbage, tror jeg, til første klasse, og jeg havde en fantastisk matematiklærer. Jeg synes at have en god lærer, der virkelig får dig interesseret i et emne, er super, super vigtigt.

da jeg kom ind på universitetet, endte jeg med at studere nogle matematik og fysik, og i første omgang troede jeg, at jeg ville blive matematiker, indtil jeg begyndte at lære om kvantemekanik. Det ændrede virkelig min interesse. Jeg troede kvantemekanik var bare helt fascinerende.

samtale: hvad var det ved kvantemekanik, du fandt så overbevisende?

LENE: der er meget ikke-intuitive fænomener i kvantemekanik, der er ligesom underlige. Det er som om naturen virkelig opfører sig sådan? Så var der også, at jeg havde denne interesse i matematik og det faktum, at du kan slags bruge meget matematiske værktøjer til at finde ud af, hvad de tilladte energiniveauer for en elektron i et hydrogenatom, for eksempel.

dette ligner ren matematik. Kan naturen opføre sig på denne måde? Dette ser ikke ud til at være helt muligt, men alligevel er der eksperimenter som at se på spektret, for eksempel strålingsspektret, den slags lys, som brint vil sende ud. Det syntes virkelig at indikere, at der måtte være noget ved disse ideer.

så selvom det virkede som ren matematik, virkede det som om naturen virkelig opførte sig sådan. Og så var der disse skøre, ikke-intuitive fænomener. Vi ved på hvert tidspunkt, at en partikel har en særlig præcision og en bestemt hastighed, men nu begynder vi at have denne ide om, at partiklen måske er denne bølgelignende lysstråle, og det kan være her, eller det kan faktisk også være der, og det er faktisk slags begge steder på samme tid. Som jeg troede var ligesom, hold da op; det er ret fantastisk.

samtale: er der en enkel måde, du kan forklare, hvordan du stopper lys?

LENE: nå, dybest set finder jeg lys absolut fascinerende, og der er intet, der går hurtigere end lys og lys rejser næsten 200.000 miles per sekund. Det er ret forbløffende, og der er virkelig intet, der går hurtigere end lyset. Hvis du begynder at sende lys gennem et vindue—et stykke glas, glas har et brydningsindeks, og det vil have en tendens til at bremse lyset lidt ned.

hele ideen om et brydningsindeks er ideen om, hvorfor linser fungerer, hvorfor øjenbriller fungerer, at du har et brydningsindeks for materialer. I glas er det lidt højere end hvad det er i ledig plads, i vakuum eller i luft. Så, dybest set, hvad der sker, er, når vi sender lys gennem et stykke glas, der vil være en flok elektroner og molekyler i at gøre op glasset og hvad lysstrålen gør, er det begynder at få disse elektroner i vibrationer.

nu, det faktum, at disse elektroner kommer ind i vibrationer, vil de selv udstråle lidt lys, fordi de begynder at fungere som små antenner. Lyset, som de slags sender ud, vil slags tilføje sammen med det lys, du sender ind i vinduet, så hovedeffekten af alt dette vil være, at lyset sænker lidt, når det går gennem et stykke glas lige ved ligesom 30 procent eller deromkring, ikke meget.

så i vores laboratorium begyndte vi at få disse ideer, at vi måske kan begynde at få lys til at gå virkelig langsomt, så langsomt at du kan slå det på en cykel. Hele denne ide har altid fascineret mig, fordi der igen ikke er noget, der går hurtigere end lys, og hvis du på en eller anden måde kan styre det, tæmme det, i det omfang du kan få det ned på en menneskelig skala, så du kan det slå det på en cykel, jeg bare at det er fantastisk.

intervjuer: så stopper du lys ved at øge brydningsindekset?

LENE: hvis du begynder at skrue dette brydningsindeks op mere og mere for at bremse lyset ned, i mediet, hvad der vil ske, er, at du reflekterer alt lyset fra mediet, før det endda kommer ind. Hvad du vil gøre på den måde er bare at skabe verdens bedste spejl. Det er ikke særlig interessant, så vi er nødt til at gøre noget helt andet, og vi skaber faktisk ikke et meget stort brydningsindeks. Det er forvirrende for mange mennesker, fordi de tror, det er, hvad vi gør.

i glas sænker du det delvist lidt, fordi brydningsindekset er lidt højere end hvad det er i frit rum, og det betyder, at du også reflekterer lyset fra mediet, før det endda kommer derinde. Oven i købet, du har også absorption af lys i mediet, og hvad det betyder er, at mængden af lys, der faktisk kommer ind i mediet, du får ikke det hele ud på den anden side, fordi noget af det absorberes, gobbled op, af mediet.

den måde, det bliver gobbled op, går i varme i mediet; det vil varme glasset lidt, og du vil aldrig få den varme vendt tilbage til lys. Du vil aldrig tilføje det igen til din lyspuls.

samtale: så hvordan er det muligt at stoppe lys, er det ikke en skør ide?

LENE: Ja. Det var præcis, hvad mine kolleger sagde. De sagde, Er du ikke skør? Dybest set omskriver jeg. Sagen er, at jeg oprindeligt var ved at dø for at få mine hænder på et kondensat, fordi dette var en helt ny tilstand af materie, der forventes at være en superflydende tilstand af materie. Jeg ville bare få fat i dette; Jeg var nysgerrig efter at begynde at stikke på det og se, hvordan det ville reagere. Hvilke slags egenskaber har den?

det bedste, jeg kunne tænke på, var at sende lys ind i dette kondensat og lys, der er særlig dramatisk at sende ind, nemlig lys, der har en bølgelængde eller frekvens, der er indstillet meget præcist, så det matcher atomernes særlige karakteristiske frekvens. Når du får dette kaldes det en resonans tilstand. Når du først har fået den resonanstilstand, får du en meget stærk interaktion mellem atom og laserlys.

vi køler og skaber kondensater ud af natriumatomer, og hvad vi gør er, at vi sender et laserlys ind med en bølgelængde, så lyset er gult, så omtrent 589 nanometer, så det er en slags gult lys som fra natriumgadelamperne. Denne bølgelængde er sådan, at den netop svarer til den karakteristiske frekvens af natriumatomerne. Så for eksempel vil natrium absorbere meget lys, hvis vi sender lys ind med den bestemte frekvens eller bølgelængde af det gule lys.

så sender resonanslys ind i et kondensat, det er særligt farligt, men også særligt interessant, fordi du får en meget stærk interaktion. For eksempel vil natriumfotoner absorbere lys ud af denne stråle meget effektivt, men det er netop den farlige situation at være i, fordi her har du disse superkølede atomer, og hvis atomet i den atomsky bare absorberede en enkelt foton, er det nok, at atomet vil få et lille spark og derefter grundlæggende blive sparket lige ud af atomskyen, ud af kondensatet, og vi taber det bare. Faktisk på vej ud vil atomet begynde at slå ind i de andre atomer og faktisk opvarme det hele, og hele kondensatet vil bare dybest set fordampe.

hvis du begynder at sende resonanslaserlyset i et kondensat, skal du bare blæse kondensatet fra hinanden. Derfor sagde mine kolleger: “du er skør. Det er for farligt.”Sagen er, fordi du får denne meget dramatiske interaktion mellem atomer og laserlys, har du også en enorm følsomhed med hensyn til at undersøge disse kondensater, og det var det, jeg var efter og virkelig fik dette, fordi det virkelig er en filosofi.

hvis du ønsker at sonde noget, sonde det så hårdt som du overhovedet kan uden det helt blæser fra hinanden. Så, ikke ding det lidt; ding det meget og så slags se hvad der sker.

samtale: så hvis dine kolleger ikke troede, det ville fungere, Hvorfor troede du, det ville fungere?

LENE: Jeg troede, det ville fungere, for hvis du styrer parametrene korrekt, kan du bruge denne meget dramatiske interaktion til meget, meget følsomt at undersøge egenskaberne.

det var slags i denne proces med at forsøge at sonde kondensater med denne resonante laserstråle, som vi begyndte at indse, gee, hvad hvis du ikke har en, men to præcist afstemte laserstråler med de nøjagtige lysegenskaber, der kommer ind i de rigtige vinkler med de rigtige bølgelængder og alt dette? Hvis du har to af dem, disse to Kan slags sammen gøre de rigtige ting til atomerne, så du faktisk kan være i stand til at bremse lyset ned til cykelhastighed.

jeg mener selvfølgelig, at det er en ting at have ideen om, at noget skal fungere, men det var en helt anden ting at faktisk få det til at fungere i laboratoriet. Du satte dig ud og satte det op efter hvordan du synes det skulle fungere, men det fungerede ikke helt som det skulle. Hvad kunne muligvis være galt her?

når tingene ikke fungerede, var du virkelig nødt til at tænke over hele tiden, Hvad skal jeg ændre her? Hvad sker der? Det var så intenst. Jeg gik næsten ind i brusebadet med mit tøj på, fordi vi bare tænkte på dette hele tiden.

men du gav ikke op. Hvad skete der så?

LENE: så, til sidst, vi begyndte at se en lille smule afmatning. Selvfølgelig, det er ligesom midt om natten, ligesom 4:00 am eller noget, og du ser lidt under dit teleskop og begynder at måle lysimpulser, der tilsyneladende har bremset lidt. Men så bliver vi selvfølgelig nervøse. – Stødte en af os på oscilloskopet? Måske er det en artefakt. Så, vi var nødt til at lave et kontroleksperiment, så det betyder, at vi var nødt til at indlæse atomerne i systemet igen og køle dem ned og danne et kondensat og derefter sende en anden lyspuls ind og prøve at se, om det bremsede.

hele processen tog cirka to minutter, men det var som de længste to minutter i mit liv, tror jeg. Derefter, til sidst målte vi det en anden gang, og helt sikkert blev det bremset. Det var virkelig spændende. Det var bare en lille smule afmatning, men det var som “jeg tror, vi har noget her.”Og så var det et spørgsmål om bare at skubbe, og så fik vi det ned til flyets hastighed, og så var det i sommeren ’98, og på det tidspunkt måtte jeg pludselig til København for at undervise i en mesterklasse.

jeg ville ikke gå, men jeg havde lovet at undervise i den klasse, så jeg måtte gå. Jeg husker, at jeg tog afsted i flyet fra Boston til København og fulgte flyets hastighed på storskærmen der og tænkte Åh, hold da op; nu går vi hurtigere end min lyspuls i laboratoriet. Jeg regnede med, om jeg havde sendt en lyspuls fra Boston på det tidspunkt, jeg forlod i flyet, ville jeg ankomme til København en time før min lyspuls.

så dybest set var jeg i København i ugen og skyndte mig derefter tilbage til Cambridge for at fortsætte med eksperimenterne. Derefter, cirka en måned eller to senere begyndte vi at bremse lyset ned til cykelhastighed. Jeg husker den aften. Det var, igen, midt om natten, og du sad bare der, og du er bare den første person i historien, der er i dette naturregime, der ser lys gå så langsomt. Det var virkelig fantastisk og en fantastisk følelse og slags værd alt det hårde arbejde, der var gået før det.

intervju: kan du forklare mere detaljeret stop af lys i BEC?

LENE: stoplyset kom efter det langsomme lys, ja. Så vi sænker lyset ned af faktorer på 10100.000.000. Vi taler ikke som 30 procent i et vindue; det er en faktor på 10100.000.000. Så fra 200.000 miles per sekund går vi ned til 15 miles i timen, og det er den slags langsom ned.

hvad der sker er, at sammen med sænkningen komprimerer lyspulsen også rumligt med den samme faktor, som den bremser. Så nu har vi en lille, lille sky af kold luft afkølet til et par milliarddele af en grad over absolut nul. Det er virkelig, virkelig koldt, og skyen er virkelig kun 0,1 millimeter i størrelse, så det er en temmelig lille sky, som vi holder i vakuumkammeret.

så sender vi lyspulsen ind, og lyspulsen er cirka en kilometer lang, når den starter i frit rum, og så begynder vi at sende den ind i vores atomsky. Hvad der sker er, at forkanten vil bremse, for nu begynder det at komme ind i atomskyen, men bagkanten er stadig ude i ledig plads, så halen er herude, og det vil fortsætte med den normale lyshastighed. Så nu begynder bagkanten at indhente forkanten, så du får denne lyspuls til at komprimere som en lille samordning.

som jeg sagde, komprimeres den af den samme faktor, som vi sænker den ned, så fra en kilometer til 0,02 millimeter er mindre end en halv tykkelse af et hår; det er så lille lyspulsen ender med at blive. På det tidspunkt passer den helt inde i atomskyen, selvom atomskyen er mindre, ender lyspulsen med at blive endnu mindre, så den passer indeni. Hvis vi så bare lader det udbrede, vil det forplante sig meget, meget langsomt ved cykelhastighed gennem atomskyen og til sidst vil det begynde at komme ud på den anden side.

på det tidspunkt begynder lyspulsen at afslutte. Forkanten tager afsted, den går tilbage, og lyspulsen strækker sig ud og ender med nøjagtig samme længde, som den havde til at begynde med, omkring en kilometer. Så går det til sidst videre, accelererer op igen og går videre med den normale høje lyshastighed, men når du først har bremset og komprimeret og indeholdt i atomskyen, hvad lyspulsen faktisk gør, er det et lille aftryk, som et lille holografisk aftryk i atomskyen.

så det ændrer faktisk den indre tilstand af atomerne i kondensatet, når de danner dette aftryk. Det aftryk følger langs lysimpulserne, da det langsomt formerer sig gennem atomskyen, og nu, når vi har lyst til det, kan vi faktisk helt stoppe den lyspuls, fordi den er helt indeholdt i atomskyen, og vi kan bare faktisk helt stoppe den, slukke lyspulsen og derefter bare holde fast i det holografiske aftryk. Derefter kan vi fryse det aftryk i atomskyen, og senere kan vi beslutte at vende hologrammet tilbage til lys. Vi genopliver lyspulsen og sender den videre, som om der ikke var sket noget.

samtale: Hvad motiverer i øjeblikket din forskning?

LENE: nå, det, der virkelig motiverer vores forskning nu, er, at vi har fundet denne metode, hvormed vi fuldstændigt kan konvertere lys til stof og tilbage til lys uden informationstab. Så vi har en lyspuls; vi kan skabe en perfekt materie kopi af den lyspuls med nøjagtigt de samme egenskaber og den samme form, samme informationsindhold, og der er ingen anden måde, hvorpå du kan gøre det.

hvad det giver os mulighed for at gøre nu fremad er, at vi kan begynde at skabe det, der kaldes for eksempel kvantenetværk. Det er en slags kvantemekanisk analog af informationen, den optiske kommunikation, det fiberoptiske netværk, som vi kender i dag, hvor vi elsker at sende data rundt i optiske fibre, høje databølger og alt det og hente det på vores computere. Men der er en helt anden måde at gøre det på, hvor vi kan begynde at sende kvantetilstande af lys rundt i optiske fibre.

til dette formål fungerer lys godt. Du kan kode information i lys og sende den ud i optisk information. Det er fantastisk til transport, men problemet er, hvis du vil kontrollere optisk information, hvis du faktisk vil ændre informationen, eller du vil manipulere den, eller du vil behandle den, og du vil bestemme, hvor jeg skal dirigere disse oplysninger, alt dette kræver kontrol af lys, og det er kvantetilstand af lys.

derfor vil du tage lys og gøre det til materieform, fordi du i materieformen kan manipulere det ekstremt kraftigt, hvilket du ikke kan gøre, mens det er i lysform. Derefter, i materieform kan du manipulere det utroligt kraftigt, og så når du er færdig, vender du det tilbage til lys og sender det ned en anden optisk fiber. Så den slags muligheder er ekstremt spændende, og det hele åbner op for en hel verden af muligheder.

samtale: lys bruges lige nu til at kopiere og flytte data. Hvordan vil kvantemekanisk lysmanipulation afvige fra det?

LENE: Så, dybest set, hvad du gør, når du normalt sender lysimpulser ned en optisk fiber er de kommer til en router, og du kan derefter slå den optiske information til elektroniske signaler. Problemet er, når du gør, at du mister en stor del af oplysningerne. Du kan ikke konvertere alle de oplysninger, der er i lyspulsen, til elektroniske signaler, men med de metoder, vi har udviklet, kan du tage lyspulsen og gøre al information til materie.

så der er absolut ingen information tab? Amplitude, fase; statistik: hvor mange fotoner har jeg i lyspulsen og kvantemekanisk kan jeg faktisk ikke have et nøjagtigt antal fotoner. Jeg har måske 1.000 og så på samme tid har jeg faktisk 1.001 og 1.002 alle på samme tid. Denne statistik, som vi kalder den, bevares, når vi gør den til materie. Så kan vi manipulere det i materieform og derefter vende det tilbage til lys, så vi bevarer al information. Vi mister ikke noget, og der er simpelthen ingen anden måde at gøre det på, fordi de metoder, vi bruger i dag, mister en stor del af informationen.

samtale: Hvad er forskellen med hensyn til skala mellem din router, Bose-Einstein-kondensatrouteren og en elektronisk router?

LENE: du kan sige i øjeblikket, at vi har et rumfuldt optik, og det er ikke ligefrem et praktisk system, men det er den slags ting, at hvis du flytter ind i et nyt regime, så starter alt, et stort prototypesystem. Og, selvfølgelig, så hvad der ville ske, måske, er du vil sige godt, gee jeg kan bruge dette til en bestemt applikation.

kunne vi lave et system, der er meget mere praktisk, der kan gøre netop dette? Så ville du sige godt, ja, måske kan vi. Så vil du sige, hvilke egenskaber skal vi fokusere på, hvilke skal vi optimere? Så ville du prøve at lave et praktisk system omkring dette sæt designkriterier. Det kunne være noget som at implementere det eksperiment, vi har med små nanostrukturer som rumtemperaturchip integrerede strukturer. Det er helt sikkert en spændende mulighed.

samtale: så du prøver at beregne information uden at ødelægge den kvantemekaniske underlighed?

LENE: Ja! Det er rigtigt. Man kan sige, at vi forsøger at lave en computer. Hvad består en computer af? En computer består af to hovedingredienser. Den har en hukommelse, og den har en processor. Så vi skal være i stand til at gemme og holde fast i den optiske information uden at ødelægge nogen information, og på samme tid skal vi være i stand til at behandle og ændre den på en kontrolleret måde.

vi ønsker at gøre begge dele, og med disse seneste resultater, hvor vi forvandler lys til en sagskopi og derefter kan begynde at ændre stofkopien og derefter vende den tilbage til lys, kan vi skabe en proces med optisk information, hvor vi ikke ødelægger nogen af kvanteinformationen i lysimpulserne. Vi bevarer dem i dets materieform og behandler det derefter og forvandler det derefter til lys.

samtale: hvor er vi, når det kommer til Bose-Einstein kondenserer og manipulerer lys? Er vi i begyndelsen af dette?

LENE: Ja. Jeg tror, vi kun har set toppen af isbjerget virkelig, fordi det, der virkelig er spændende, er, at du for første gang har lys, som du kan omdanne til materieform uden tab af information. Lys er fantastisk til kodning af information og transport af disse oplysninger. Men når du først har de lette oplysninger, som du bliver til materieform, har du ekstremt kraftfulde behandlingsmetoder.

det er da du kan begynde at manipulere, behandle oplysningerne, og når du er færdig med at behandle, gør du det tilbage til lys. Det er en ekstremt kraftfuld opsætning og helt unik. Der er ingen anden måde, hvor du kan gøre lys til stof og tilbage til lys og gøre behandlingen imellem og gøre det hele på klassiske lystilstande, kvantetilstande af lys. Det er ekstremt magtfuldt.

dette er et helt nyt system, hvor vi har nogle helt nye paradigmer, som vi kan forfølge. Vi er lige ved begyndelsen af det, synes jeg, meget spændende sæt muligheder på dette helt nye område.