Světlo jasnější než jiné je šancí na revoluční změny

Ultrajasné světlo – specifická forma koherentního světla – je vytvářeno částicemi pohybujícími se spíše synchronně než nezávisle. Tato synchronizace vytváří neuvěřitelně rychlé, intenzivní pulzy, které fungují v řádu attosekund – jinými slovy: tisícin miliontin miliardtin sekundy.
Zatímco systémy schopné v současnosti vytvářet ultrajasné světlo, jsou extrémně (až kilometry) dlouhé, výzkumníci z portugalského Instituto Superior Técnico (IST) a americké Univerzity v Rochesteru navrhli koncept světelného zdroje, který se vejde do jediné místnosti. Ten by mohl radikálně zlepšit globální zdravotní péči a díky budoucím technologiím způsobit „malou společenskou, technologickou a vědeckou revoluci“.
Nový přístroj s ultrajasným světlem by mohl v budoucnu zlevnit rentgenové a radioterapeutické ošetření a umožnit vytvoření výkonných počítačových čipů, lepší pochopení biologických procesů, jako je fotosyntéza, nedestruktivní zobrazování pro skenování virů, nebo dokonce vytvořit ultrajasné světlo umožňující zkoumat chování hmoty na planetách i hvězdách a prohloubit tak naše znalosti o kosmu, tvrdí výzkumníci.

Nejrychlejší ze všech světel
Normální zdroje světla, jak jsou vyzařovány žárovkami, LED diodami nebo např. svitem Slunce, produkují bílé světlo, v němž se fotony pohybují nezávisle. Toto „nesouvislé světlo“ je podle autorů studie publikované v časopise Nature Photonics jako „volně naladěné rádio, kde většinou slyšíme statický šum“, zatímco synchronizované fotony v koherentním světle jej připodobňují spíše k „jemně vyladěnému orchestru“.
Vědci popisují použití pokročilé počítačové simulace k měření jedinečných vlastností kvazičástic tvořených skupinami elektronů pohybujících se synchronně, které působí společně způsobem umožňujícím, aby s nimi bylo zacházeno jako s jedinou částicí. Tato třída částic vykazuje řadu zajímavých vlastností, může se teoreticky pohybovat libovolnou rychlostí (dokonce rychlejší, než je rychlost běžného světla) a podle výzkumníků dokonce odolat i extrémním silám, které obklopují černou díru.

Mexická vlna z fotonů
Autoři přirovnávají pohyb kvazičástic ve svém experimentu k tzv. mexické vlně vytvářené publikem sportovních utkání či velkých koncertů nebo podobných akcí. Samotná vlna se může pohybovat po stadionu rychleji, než by to dokázal kterýkoli jednotlivec, ale každý jednotlivý účastník zůstává přitom na stejném místě.
Podobně vědci pozorovali každý jednotlivý elektron, jak provádí jednoduché pohyby. Ale když se zkoordinovaly, společný pohyb se spojil a vytvořil „elektronovou mexickou vlnu“, která se může pohybovat rychleji než světlo. Celý systém pak tvoří unikátní kvazičástici, kterou lze považovat za jeden elektron schopný emitovat vysoce synchronizované fotony, a tedy extrémně jasné světlo.
Tento nový objev je součástí úsilí o větší dostupnost ultrajasných světelných zdrojů, a výzkum v této oblasti byl i oceněn prestižní Nobelovou cenou za fyziku, udělenou letos vědcům, kteří vytvořili světelné paprsky v délce attosekund. Výzkumný tým, který přišel se zmíněnou studií, sleduje stejný cíl, ale s použitím mnohem kompaktnějšího systému. Zatímco současné koherentní světelné zdroje, jako např. lasery s volnými elektrony, jsou obrovské a většina z nich je příliš velká a nepraktická pro použití v laboratořích či lékařských zařízeních – např. koherentní světelný zdroj Linac (LCLS) v USA je dlouhý přes 3 km – nová studie ukazuje, že ultrarychlé koherentní světlo by mohlo být vytvářeno v jediné místnosti.
Světelné zdroje na bázi kvazičástic by tak mohly mít výraznou výhodu oproti stávajícím formám a s využitím teorie navržené ve studii by kvazičástice mohly produkovat neuvěřitelně jasné světlo s jen malou vzdáleností své cesty.

Tomáš Machovský
Foto: University of Rochester, Greg Stewart/SLAC

Publikováno: 12. 12. 2023 | Počet zobrazení: 51 11