Σε ένα υπερψυχρο νέφος, φυσικοί ανταλλάσσουν φως και ύλη ή πώς αποθηκεύεις το φως εδώ και το ανακτάς αλλού

Πηγή: Harvard και Physics Web, 7 Φεβρουαρίου 2007

Φυσικοί στις ΗΠΑ ήταν σε θέση να αποτυπώσουν έναν παλμό σύμφωνου φωτός πάνω σε ένα σύνολο υπέρψυχρων ατόμων νατρίου -- και αφού τον μετέτρεψαν σε ύλη μπόρεσαν να τον ανακτήσουν αργότερα μέσα σε ένα παρόμοιο δεύτερο σύνολο ατόμων νατρίου, που ήταν όμως σε κάποια μικρή απόσταση μακριά. Το πείραμα αποδεικνύει ότι μακροσκοπικά σωματίδια μπορούν να είναι κβαντομηχανικά όμοια ακόμα κι αν είναι διαχωρισμένα. Η εργασία εκτελέσθηκε χρησιμοποιώντας συμπυκνώματα BEC (Bose-Einstein) -- άτομα που ψύχθηκαν σε τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες που ανήκουν όλα στην ίδια κβαντική κατάσταση (Nature 445 605).

Δεξιά: Το περιεχόμενο των πληροφοριών του παλμού ελέγχου "αποτυπώνεται" στα ταλαντούμενα δίπολα σπιν των ατόμων στο πρώτο bec (πάνω). Στο νέο πείραμα ο παλμός που εξαφανίστηκε επανεμφανίζεται σε ένα δεύτερο bec τοποθετημένο περίπου 160 µm μακριά (κάτω σημείο).

Την ύλη αντίθετα από το φως, μπορούμε εύκολα να τη χειριστούμε, και τα πειράματα δίνουν ισχυρά μέσα για να ελεγχθούν οι οπτικές πληροφορίες. Τα συμπεράσματα του πειράματος δημοσιεύτηκαν από πανεπιστημιακούς ερευνητές του Χάρβαρντ στο περιοδικό Nature. Μπορούμε λοιπόν να χειριστούμε παλμούς φωτός με ένα νέο τρόπο στις επικοινωνίες, λένε οι ερευνητές.

"Δείξαμε ότι μπορούμε να σταματήσουμε ένα παλμό φωτός σε ένα υπέρψυχρο νέφος νατρίου, να αποθηκεύσουμε τα στοιχεία που υπάρχουν μέσα του, και να το εξαφανίσουμε ολοκληρωτικά, μόνο που ο παλμός ξαναγεννήθηκε σε ένα άλλο νέφος 160 μικρόμετρα πιο μακριά", λέει η Lene Vestergaard Hau, καθηγήτρια της φυσικής και εφαρμοσμένης φυσικής στο Χάρβαρντ και επικεφαλής της έρευνας.

"Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein είναι πολύ σημαντικά σε αυτήν την εργασία επειδή μέσα σε αυτά τα νέφη τα άτομα έχουν ένα κλείδωμα φάσης, χάνοντας την προσωπικότητα και την ανεξαρτησία τους", συμπληρώνει η Hau. "Αυτό ακριβώς το κλείδωμα των ατόμων σε ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, κάνουν δυνατή την αντιγραφή των πληροφοριών του αρχικού φωτεινού παλμού μέσα στο δεύτερο σύννεφο των ατόμων νατρίου, όπου τα άτομα συνεργάζονται για να αναβιώσουν τον παλμό του φωτός.

Η Hau μαζί με τους Naomi Ginsberg και Sean Garner, διαπίστωσαν ότι ο παλμός μπορεί να αναβιωθεί, και οι πληροφορίες του να μεταφερθούν μεταξύ δύο υπέρψυχνων νεφών από άτομα νατρίου, αν μετατραπεί ο αρχικός οπτικός παλμός σε ένα κινούμενο υλικό κύμα, που είναι ένα ακριβές υλικό αντίγραφο του αρχικού παλμού, που ταξιδεύει με μια ταχύτητα 200 μέτρα την ώρα. Ο υλικός παλμός μετατρέπεται εύκολα πάλι σε φως όταν εισέρχεται στο δεύτερο υπέρψυχρο νέφος -- γνωστά ως συμπύκνωμα Bose-Einstein -- και φωτιστεί με ένα λέιζερ ελέγχου.

Μέσα στο συμπύκνωμα Bose-Einstein -- ένα σύννεφο ατόμων νατρίου σε μια θερμοκρασία δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν -- ένας παλμός φωτός συμπιέζεται χωρικά κατά έναν παράγοντα 50 εκατομμυρίων. Το φως αναγκάζει έναν ελέγξιμο αριθμό ατόμων νατρίου του συμπυκνώματος (κατά προσέγγιση 1,8 εκατομμύρια) να εισέλθει σε μια κβαντική κατάσταση υπέρθεσης δύο καταστάσεων: ένα τμήμα χαμηλής ενέργειας που μένει εκεί και ένα υψηλής ενέργειας που ταξιδεύει μεταξύ των δύο συμπυκνωμάτων Bose-Einstein. Το εύρος και η φάση του φωτός που σταματά και εξαφανίζεται στο πρώτο νέφος  αποτυπώνεται σε αυτό το κινούμενο τμήμα και το μεταφέρει στο δεύτερο νέφος, όπου οι πληροφορίες που έφτασαν εκεί μπορούν να αναδημιουργήσουν τον αρχικό παλμό του φωτός.  Στο πείραμα αυτό τα φωτόνια του παλμού επιβραδύνθηκαν από τα 300.000 χλμ./ δευτερόλεπτο στα 20 χλμ./ δευτερόλεπτο και έπειτα σταμάτησαν.

Η χρονική περίοδος που το φως γίνεται ύλη και ο παλμός της ύλης είναι απομονωμένος στο διάστημα μεταξύ των συμπυκνωμένων νεφών, θα μπορούσαν να προσφέρουν στους επιστήμονες και στους μηχανικούς ένα καταπληκτικό νέο παράθυρο για τον έλεγχο και τον χειρισμό οπτικών πληροφοριών. Οι ερευνητές δεν μπορούν να ελέγξουν εύκολα τώρα τις οπτικές πληροφορίες κατά τη διάρκεια του ταξιδιού του, εκτός από το να ενισχύσουν το σήμα για να αποφύγουν την εξασθένιση. Η νέα εργασία από την Hau και τους συναδέλφους της χαρακτηρίζει τον πρώτο επιτυχή χειρισμό των σύμφωνων οπτικών πληροφοριών.

Από το PhysicsWeb

Για να κάνουν το φως να "πηδήξει" από τη μια θέση σε μια άλλη, η Lene Hau και οι συνάδελφοι της στο Χάρβαρντ εκμεταλλεύτηκαν μια τεχνική που ανέπτυξαν το 2001 για να αποθηκεύσουν έναν παλμό φωτός σε ένα BEC, επιβραδύνοντας τότε τον παλμό  ενός λέιζερ μέχρι να σταματήσει. Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει τη ρίψη ενός παλμού από μια συσκευή λέιζερ πάνω σε ένα BEC από άτομα νατρίου, προκαλώντας έτσι μικροσκοπικές ταλαντώσεις του ηλεκτρικού φορτίου στα άτομα.

Κανονικά αυτά τα δίπολα ακτινοβολούν και έτσι γρήγορα διασπώνται, αλλά φωτίζοντας τα άτομα με ένα λέιζερ ελέγχου μεταφέρονται οι ταλαντώσεις στα φορτία για να ταλαντωθούν τα σπιν των ατόμων, που είναι σταθερότερα. Έτσι όταν το λέιζερ ελέγχου σταματά να φωτίζει, το περιεχόμενο των πληροφοριών του παλμού ελέγχου "αποτυπώνεται" στα ταλαντούμενα δίπολα σπιν των ατόμων.

Και όταν το λέιζερ ελέγχου ανοίγει πάλι, ελευθερώνει φως επιτρέποντας στα άτομα να επανακτινοβολήσουν σε συμφωνία (δηλαδή με την ίδια φάση) με τον αρχικό παλμό ελέγχου.

Στο νέο πείραμα αυτό που είναι διαφορετικό είναι ότι ο καθυστερημένος παλμός φτιάχνεται για να επανεμφανιστεί σε ένα δεύτερο BEC τοποθετημένο περίπου 160 µm μακριά. Το τέχνασμα βρίσκεται στο γεγονός ότι η κβαντομηχανική εξίσωση του κύματος των διπόλων σπιν είναι στην πράξη μια υπέρθεση αφενός των ατόμων στην βασική κατάσταση και αφετέρου των ατόμων σε μια κατάσταση με διέγερση των σπιν. Λόγω της διατήρησης της ορμής, τα άτομα με διεγερμένα σπιν απομακρύνονται από το BEC, όταν τα άτομα απορροφούν φωτόνια από το λέιζερ, ενώ τα άτομα στη θεμελιώδη κατάσταση μένουν στο συμπύκνωμα.

Το έξυπνο μέρος του πειράματος είναι ότι η ομάδα του Χάρβαρντ αποφάσισε να περιμένει έως ότου τα άτομα με διεγερμένα σπιν φθάσουν στο δεύτερο συμπύκνωμα προτού να ανοίξουν το λέιζερ ελέγχου πάλι. Και προς μεγάλη έκπληξη τους, διαπίστωσαν ότι αυτή η πιο πάνω συλλογή των ατόμων ήταν ικανή να επανεκπέμψει τον αρχικό παλμό του φωτός. Αυτό αναβίωσε τον παλμό που διαδόθηκε αργά από το δεύτερο BEC πριν φθάσει στην κανονική ταχύτητά του, 300 εκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Επειδή τα δύο BEC ήταν προετοιμασμένα ανεξάρτητα, κάποιος θα ανέμενε το "αγγελιοφόρο κυματοπακέτο", που μεταφέρθηκε από το πρώτο συμπύκνωμα να είναι άγνωστο στο δεύτερο BEC. Το γεγονός ότι δεν ήταν υπονοεί ότι η κυματοσυνάρτηση των ατόμων στην βασική κατάσταση έχει ένα στοιχείο ή ένα συστατικό και στα δύο BEC συγχρόνως, που μπορεί έπειτα να συνδυαστεί με το άτομα με διεγερμένο σπιν μόλις φθάσουν στο δεύτερο bec. Το πείραμα είναι μια εντυπωσιακή επίδειξη της κβαντικής δυσδιακριτότητας. .

"Αν χειριστούμε το αντίγραφο του αρχικού παλμού του φωτός, μπορούμε να επεξεργαστούμε οπτικές πληροφορίες", λέει η Hau. Και τονίζει ότι το πείραμα θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες τεχνικές για να υποβληθούν σε επεξεργασία οι οπτικές πληροφορίες, στις οπτικά επικοινωνίες και τα δίκτυα κβαντικών πληροφοριών. Άλλες πιθανές εφαρμογές θα μπορούσαν να είναι στους υπερευαίσθητους αισθητήρες περιστροφής ή τους ανιχνευτές βαρύτητας.

Επίσης, η Hau λέει ότι αυτή η εργασία μπορεί να μας δώσει έναν έλεγχο των οπτικών πληροφοριών, και όταν η ύλη ταξιδεύει μεταξύ των δύο συμπυκνωμάτων Bose-Einstein τότε μπορούμε να την παγιδέψουμε, ενδεχομένως για κάποια λεπτά και να την αναδιαμορφώσουμε -- αλλάζοντας την -- με οτιδήποτε τρόπο θέλουμε. Αυτή η νέα μορφή κβαντικού ελέγχου θα μπορούσε επίσης να έχει εφαρμογές στους αναπτυσσόμενους τομείς της κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών και του κβαντικού συστήματος κρυπτογραφίας."