Φως που 'ακινητοποιείται' στην τροχιά του

Από την ιστοσελίδα NewScientist και Physics News Update, 10 Δεκεμβρίου 2003

Αμερικανοί φυσικοί αποκάλυψαν ότι με μια νέα τεχνική ακινητοποίησαν έναν παλμό φωτός λέιζερ μέσα σε έναν γυάλινο κύλινδρο, αφήνοντας όμως άθικτα όλα του τα φωτόνια.

Ξέρουμε ότι στο κενό το φως ταξιδεύει με τη φαινομενική ταχύτητα των 300.000.000 μέτρων ανά δευτερόλεπτο, αλλά οι επιστήμονες μπορούν να εκμεταλλευτούν τον τρόπο που τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία στο φως αλληλεπιδρούν με την ύλη για να το επιβραδύνουν.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων χρόνων, οι επιστήμονες έχουν γίνει κύριοι της ακτίνας του φωτός. Στα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο επιτυγχάνονται ταχύτητες μερικών μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Είναι φυσικά δυσκολότερο να σταματήσει το φως εντελώς και οι προηγούμενες προσπάθειες που έχουν γίνει για σταματήσει το φως πέτυχαν αλλά οι επιστήμονες έχασαν τα φωτόνια του στη διαδικασία αυτή.

Πριν λίγα χρόνια στο Harvard, δύο διαφορετικές επιστημονικές ομάδες πέτυχαν να επιβραδύνουν και να αποθηκεύσουν ένα παλμό φωτός μέσα σε ατμό από άτομα. Στην εργασία εκείνη, η διάδοση των παλμών του φωτός σταμάτησε και οι ιδιότητες των φωτονίων μεταβιβάστηκαν στον προσανατολισμό των σπιν των ατόμων του ατμού. 

Έτσι οι παλμοί φωτός σταμάτησαν ενώ συγχρόνως έπαψαν να υπάρχουν υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας και μεταβίβασαν όλες τις ποιοτικές πληροφορίες σήματος που μετέφεραν στα άτομα των ατμών. Στη συνέχεια μπορούσαν να μετατραπούν και πάλι κανονικές δέσμες διαδιδόμενου φωτός. 

Άθικτα τα φωτόνια

Τώρα ένα νέο πείραμα, πάλι στο Harvard, σταματάει και πάλι το φως, αλλά αφήνει τον παλμό άθικτο σαν οπτική οντότητα.

Ο Mikhail Lukin και οι συνεργάτες του, στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης, κατόρθωσαν να σταματήσουν το φως χωρίς όμως αυτό να χάσει τα φωτόνια του, στέλνοντας ένα βραχύ παλμό κόκκινου φωτός από λέιζερ μέσα σε ένα αέριο καυτών ατόμων ρουβιδίου.

Οι επιστήμονες άρχισαν όπως στο παλιό πείραμα μετατρέποντας τον προσπίπτοντα φωτεινό παλμό σε μια αντίστοιχη συλλογή σπιν του ατμού. Αλλά στη συνέχεια προστέθηκε κάτι διαφορετικό. Ένα ζεύγος αντίθετα διαδιδόμενων δεσμών λέιζερ βοήθησαν να ξαναγεννηθεί ο παλμός. Οι ίδιες όμως δέσμες ελέγχου είχαν και έναν άλλο ρόλο: Έφεραν τη συλλογή των ατόμων του ατμού σε τέτοια κατάσταση που τα ανάγκασαν να συμπεριφερθούν σαν μια συστοιχία από καθρέφτες. 

Δηλαδή ο φωτεινός παλμός "πάγωσε" με τη βοήθεια των δύο ακτίνων λέιζερ. Το φως των ακτίνων  αλληλεπιδρά με τα άτομα του ρουβιδίου για να δημιουργήσει στρώματα, που διαδοχικά φέρουν μπροστά και ακολούθως ανακλούν προς τα πίσω τον παλμό σαν κάτοπτρα.

Καθώς το σήμα προσπαθεί να διαδοθεί μέσω αυτών των στρωμάτων, τα φωτόνια αναπηδούν προς τα πίσω και προς τα εμπρός ανάμεσα από αυτά τα στρώματα. Κατά συνέπεια, ο παλμός δεν προχωράει μπροστά - το φως μένει "παγωμένο" στη θέση του. Ο παλμός ελευθερώνεται μόλις οι ακτίνες ελέγχου σταματούν.

Σ' αυτή την "αίθουσα" από ατομικούς καθρέφτες, ο αρχικός παλμός εξακολουθεί να υπάρχει ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλά δεν μπορεί να μετακινηθεί - διατηρείται μέσα σ' ένα σταθερό ακίνητο φάκελο. Έτσι ο φωτεινός παλμός που περιέχει οπτικά φωτόνια είναι κάπως σαν "παγωμένος στο χώρο." Μπορεί φυσικά να κρατηθεί στην κατάσταση αυτή και να αφεθεί ξανά ελεύθερος όποτε θελήσουμε. 

Ο Ulf Leonhardt, στο Πανεπιστήμιο του St Andrews στην Fife της Σκωτίας, λέει ότι η τεχνική αυτή είναι νέα στο γεγονός ότι οι ακτίνες ελέγχου φαίνεται σαν να αποθηκεύουν το φως.

Κλάσματα του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου

Το 2001, δύο ομάδες ανέφεραν ότι είχαν σταματήσει το φως. Ο Lukin είχε συμμετάσχει σε ένα από αυτά τα πειράματα, το άλλο πείραμα καθοδηγήθηκε από τη Lene Hau, που τώρα είναι στο Χάρβαρντ.

Και οι δύο ομάδες επιβράδυναν το φως όταν το διαβίβασαν μέσω ενός αερίου ατόμων. Ο Lukin χρησιμοποίησε καυτά άτομα ρουβιδίου, ενώ η Hau υπέρψυχρα άτομα νατρίου. Και οι δύο κατόρθωσαν να μειώσουν την ταχύτητα του φωτός κοντά στο μηδέν, εντούτοις όταν επιβραδύνθηκε, όλα τα φωτόνια του είχαν απορροφηθεί. Ο παλμός θα μπορούσε να αναπαραχθεί επειδή η ενέργεια των φωτονίων είχε "αποθηκευτεί" στα άτομα. Αλλά ενώ ο παλμός ήταν στάσιμος, τεχνικά, δεν περιείχε κανένα φως.

Ο Lukin και οι συνάδελφοι του Michal Bajscy και Alexander Zibrov χρησιμοποιώντας τη νέα μέθοδό τους κατόρθωσαν να κρατήσουν το φως ακίνητο για κλάσματα του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου. Αλλά όπως λένε, δεν υπάρχει κανένας λόγος να μην μπορεί να παγιδευτεί και για περισσότερο χρόνο. Αυτό μάλιστα θα μπορούσε να είναι ένα χρήσιμο τέχνασμα για υιοθετηθεί στα συστήματα τηλεπικοινωνιών που στέλνουν οπτικά σήματα, ή και στους κβαντικούς υπολογιστές.

"Οι παγωμένοι, στάσιμοι παλμοί του φωτός είναι ένα νέο κεφάλαιο στην κβαντική οπτική," σχολιάζει ο Marlan Scully στο Πανεπιστήμιο Princeton στο  Νιου Τζέρσευ.

Η τωρινή πειραματική δουλειά είναι η συνέχεια μιας θεωρητικής πρότασης που δημοσιεύτηκε την περυσινή χρονιά στο περιοδικό  Physical Review Letters (A. André και M. D. Lukin, 30 Σεπτεμβρίου 2002). Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το νέο φαινόμενο που έδειξαν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εντοπίζουμε χωρικά και ελεγχόμενα, να δίνουμε την επιθυμητή μορφή και να καθοδηγούμε φωτονικούς παλμούς στις 3 διαστάσεις. Κάτι τέτοιο μπορεί να δημιουργήσει ιδανικές συνθήκες ώστε διαφορετικές δέσμες φωτός ν' αλληλεπιδράσουν (να "μιλήσουν" μεταξύ τους), μια και η εντοπισμένη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μπορεί να συγκρατηθεί για μεγάλο σχετικά χρονικό διάστημα. Τέτοιες τεχνικές μπορεί να κάνουν δυνατές τις μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ασθενικών παλμών λέιζερ, πράγμα που με τη σειρά του θα μπορούσε να φανεί χρήσιμο στην επεξεργασία φωτεινών σημάτων.  

Για παράδειγμα, η διαδικασία αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους οπτικούς υπολογιστές, όπου οι υπολογισμοί δεν γίνονται με χρήση ηλεκτρονίων αλλά φωτονίων. Ένας άλλος φιλόδοξος στόχος θα ήταν να εκτελούμε λογικές πράξεις μεταξύ μεμονωμένων φωτονίων σε μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές. Οι ερευνητές λένε όμως ότι χρειάζεται πολλή περισσότερη δουλειά για να αποφασιστεί αν η παρούσα δουλειά μπορεί να βοηθήσει κάποια από αυτές τις εφαρμογές. Προς το παρόν, αποτελεί ακόμη ένα βήμα προς τον τελικό έλεγχο του φωτός. 

	Τίποτα δεν ταξιδεύει ταχύτερα από το φως στο κενό, αλλά το φως επιβραδύνεται μέσα σε διάφορα μέσα. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν δέσμες λέιζερ μέσα σε νέφη ατόμων, ώστε παλμοί φωτός να ταξιδεύουν στα νέφη αυτά με ταχύτητες ίσες με το 1: 20.000.000 της συνηθισμένης τους ταχύτητας. Αργότερα δηλαδή και από την κίνηση των οχημάτων στον εθνικό δρόμο.
	Μια παρόμοια τεχνική, ακινητοποιεί πλήρως τους παλμούς, μετατρέποντάς τους σε ένα κβαντικό αποτύπωμα των ατόμων. Στη συνέχεια μια άλλη δέσμη λέιζερ μετατρέπει τον παγωμένο παλμό ξανά σε κινούμενο παλμό φωτός με όλες τις αρχικές του ιδιότητες.