Ένα φωτεινό κύμα που προηγείται του εαυτού του

Από το Physical Review Focus,  Μάιος 2004

Μια λάμψη φωτός στο νερό μπορεί να εκτοξεύσει μικρότερες λάμψεις με εκπληκτικές ιδιότητες - να μπορούν να ταξιδεύουν γρηγορότερα και πιο μακριά από την αρχική λάμψη.

Τα νέα στοιχεία αυτών των αποκαλούμενων προδρόμων φωτεινών κυμάτων εμφανίζονται σε μια δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters στις 14 Μαΐου.

Το πείραμα είναι μια σπάνια επιβεβαίωση μιας παλαιάς θεωρίας 90 ετών και η πρώτη πλήρης επίδειξη του φαινομένου με χρήση ορατού φωτός. Μια πληρέστερη κατανόηση των προδρόμων φωτεινών κυμάτων θα μπορούσε να οδηγήσει σε πρόοδο στην ιατρική απεικόνιση και την υποβρύχια επικοινωνία.

Εάν δημιουργήσετε μια σύντομη λάμψη λευκού φωτός στο κενό διάστημα, αυτή θα ταξιδέψει αμετάβλητη. Αλλά σε ένα υλικό όπως το νερό ή το γυαλί, ο παλμός θα διαπλατυνθεί καθώς θα ταξιδεύει, επειδή κάθε χρώμα που υπάρχει στο λευκό φως κινείται με μια διαφορετική ταχύτητα.

Εάν χρησιμοποιήσετε έναν υπερβραχύ παλμό φωτός λέιζερ αντί του λευκού φωτός, ο παλμός θα διασπαστεί, εκτοξεύοντας μικρότερα τμήματα που αποκαλούνται πρόδρομα καθώς ταξιδεύει.

Το νερό, όπως τα περισσότερα υλικά, έχει ένα σύνολο εξαιρετικών συχνοτήτων στις οποίες το φως μπορεί να ταξιδέψει πολύ καθαρά, και τα πρόδρομα κύματα εμφανίζονται σε εκείνες ακριβώς τις προνομιακές συχνότητες. Αλλά οι συχνότητες δεν είναι καθορισμένες -- αλλάζουν καθώς το πρόδρομο κύμα μετακινείται μέσα στο υλικό.

Ένας παρατηρητής με υπεράνθρωπη όραση που παρακολουθεί μια λάμψη φωτός να διαδίδεται μέσα στο νερό θα έβλεπε αρχικά ένα πρόδρομο κύμα υψηλής συχνότητας να προχωρεί εμπρός με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Το χρώμα εκείνου του προδρόμου θα άλλαζε καθώς το παρατηρούσε ο παρατηρητής. Νέα πρόδρομα κύματα με αλλαγμένα χρώματα θα εκπέμπονταν. Λίγο αργότερα θα έβλεπε να φτάνει στα μάτια του και η λάμψη του αρχικού φωτεινού παλμού
.
"Το πρόδρομο κύμα είναι όπως το σαπούνι στην μπανιέρα, γλιστράει όπως εκείνο ", λέει ο Ulf Osterberg του κολεγίου Dartmouth στο Νιού Χάμσαιρ. "Είναι σα να είναι ζωντανό, να αναπνέει, και να κινείται προς τα εμπρός και να αλλάζει συνεχώς από την άποψη των συχνοτήτων που περιέχει."

Αυτή η φύση του παλμού που συνεχώς μεταμορφώνεται καθιστά ένα πρόδρομο κύμα εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευτεί. Μόνο δύο ερευνητικές ομάδες έχουν αναφέρει ότι είδαν τα πρόδρομα κύματα με ορατό φως, και πάλι αυτό συνέβη κάτω από ειδικές προϋποθέσεις [ 1, 2 ].

Το κλειδί στην παρατήρηση των προδρόμων είναι η εκπληκτική αντοχή τους. Στις μακρινές αποστάσεις, όπου ο βασικός παλμός έχει εξασθενίσει, ο πρόδρομος θα είναι ακόμα ανιχνεύσιμος επειδή διαδίδεται τόσο αποτελεσματικά στις "προνομιακές" συχνότητές του. Από μαθηματική άποψη, το κυρίως σήμα σβήνει εκθετικά με την απόσταση καθώς απορροφάται από το υλικό, ενώ οι πρόδρομοι εξασθενίζουν μόνο με την τετραγωνική ρίζα της απόστασης από την πηγή.

Για να ανιχνεύσουν έναν ορατό πρόδρομο, Osterberg και ο συνάδελφός του στο Dartmouth Seung-Ho Choi έστειλαν έναν παλμό φωτός διάρκειας 100-femtosecond σε ένα σωλήνα με νερό.

Με έναν τέτοιο υπερβραχύ παλμό, το χρώμα του λέιζερ δεν καθορίζεται με σαφήνεια, και περιέχει αυτόματα όλες τις απαραίτητες συχνότητες. Ανίχνευσαν μια λάμψη στο νερό σε απόσταση ενός μέτρου -- μια απόσταση στην οποία ο αρχικός παλμός πρέπει να έχει εξαφανιστεί. Το σήμα που παρατήρησαν εξασθένισε βαθμιαία πιο μακριά, σύμφωνα με την τετραγωνική ρίζα της απόστασης.

"Είναι κάπως σαν τον καπνό από ένα πυροβόλο όπλο," λέει ο Kurt Oughstun του πανεπιστημίου του Vermont, ο οποίος έχει περιγράψει τα πρόδρομα κύματα θεωρητικά κατά τα προηγούμενα 25 έτη. "Ήμουν πολύ ευτυχής να το δω. Είναι ένα πολύ ευχάριστο αποτέλεσμα." Ο ίδιος είναι βέβαιος ότι οι Osterberg και Choi έχουν δει έναν αληθινό ορατό πρόδρομο κύμα σε αντίθεση με τα δύο παλαιότερα πειράματα.[ 1, 2 ].

"Οι εφαρμογές αυτού του φαινομένου είναι εκτεταμένες," λέει Oughstun. "Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα πρόδρομα κύματα για την υποβρύχια επικοινωνία, η οποία έχει προφανείς στρατιωτικές εφαρμογές." Θα μπορούσαν επίσης να έχουν ιατρικές χρήσεις. Οι πρόδρομοι παλμοί θα μπορούσαν να εισχωρήσουν βαθύτερα στο σώμα και να δώσουν καλύτερη απεικόνιση, όπως π.χ. στη μαστογραφία.

Αναφορές:
[1] J. Aaviksoo, J. Kuhl, and K. Ploog, "Observation of optical precursors at pulse propagation in GaAs," Phys. Rev. A, 44, 5353 (1991).
[2] M. Sakai, et al., "Polariton pulse propagation at exciton resonance in CuCl: Polariton beat and optical precursor," Phys. Rev. B 66, 33302 (2002).