Φως σε ακινησία

Φως σε ακινησία

Η επιβράδυνση, μέχρι ακινησίας, ενός παλμού φωτός που πέτυχαν οι επιστήμονες, ίσως ανοίξει το δρόμο για νέες τεχνολογίες οπτικής τηλεπικοινωνιών ή ακόμα και για κβαντικούς υπολογιστές

Πολλά συνηθισμένα υλικά επιβραδύνουν το φως. Για παράδειγμα το νερό το επιβραδύνει στα τρία τέταρτα της ταχύτητάς του στο κενό (299.792,458 χλμ/ώρα) που είναι και η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να επιτευχθεί στο σύμπαν. Η επιβράδυνση αυτή έχει να κάνει με το δείκτη διάθλασης των υλικών. Για να επιβραδυνθεί το φως σε ταχύτητες μερικών δεκάδων χιλιομέτρων την ώρα χρειάζονται άλλα φαινόμενα που στηρίζονται στη κβαντομηχανική. Πριν από τρία χρόνια, μια ομάδα ερευνητών του Ινστιτούτου Επιστήμης του Ρόουλαντ των ΗΠΑ, πέτυχε να δημιουργήσει τα κατάλληλα κβαντομηχανικά φαινόμενα μέσα σε ένα νέφος ατόμων νατρίου σχήματος πούρου, με μήκος 0,2 χιλιοστά και διάμετρο 0,05 χιλιοστά, που ήταν παγιδευμένο μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο και κατεψυγμένο σε θερμοκρασία χαμηλότερη του ενός εκατομμυριοστού του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Εκμεταλλευόμενοι οι επιστήμονες τις τρεις καταστάσεις διέγερσης του ηλεκτρονίου σθένους του νατρίου, χρησιμοποίησαν μια ακτίνα λέιζερ ελέγχου συντονισμένη στη διαφορά ενέργειας μεταξύ της υψηλότερης και της αμέσως κατώτερης κατάστασης διέγερσης, για να κάνουν το νέφος ατόμων νατρίου πρακτικά διαφανές στη διερευνητική ακτίνα λέιζερ, που στέλνει τους παλμούς. Για να μειώσουν στο ελάχιστο το φαινόμενο Ντόπλερ, που δημιουργείται από τη θερμική κίνηση των ατόμων και έχει σαν αποτέλεσμα να χάνει το πείραμα σε ακρίβεια αποτελεσμάτων, χρησιμοποίησαν εξαιρετικά ψυχρά άτομα (που παρουσιάζουν ελάχιστη θερμική κίνηση).

Για να καταψύξουν τόσο πολύ τα άτομα χρησιμοποίησαν ένα συνδυασμό ακτίνων λέιζερ, μαγνητικών πεδίων και ραδιοκυμάτων. Τα άτομα αρχικά βγαίνουν από τη θερμή πηγή τους σαν μια ακτίνα που ταξιδεύει με ταχύτητα 2.600 χλμ. την ώρα. Μια ακτίνα λέιζερ χτυπά μετωπικά τα άτομα και τα επιβραδύνει μέχρι τα 160 χλμ. την ώρα. Δηλαδή, αντίστροφη επιτάχυνση, ίση με 70.000 φορές την επιτάχυνση της βαρύτητας, την οποία προκαλεί ένα λέιζερ που δεν μπορεί να κάψει ούτε το χέρι ενός ανθρώπου! Στη συνέχεια 6 ακτίνες λέιζερ υπό γωνία επιβραδύνουν κι άλλο τα άτομα, μέχρι τα 50 εκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Μέσα σε μερικά δευτερόλεπτα συσσωρεύονται 10 δισεκατομμύρια άτομα σε κάτι που θυμίζει μελάσσα. Στη συνέχεια, κλείνουν όλα τα λέιζερ και ενεργοποιούνται οι ηλεκτρομαγνήτες, που το πεδίο τους συγκρατεί το νέφος ατόμων σαν παγίδα. Για 38 δευτερόλεπτα τα άτομα αφήνονται να κρυώσουν κι άλλο, μέσω της εξαέρωσης (η απομάκρυνση των πιο θερμών από αυτά αφήνει τα πιο κρύα). Ειδικά ρυθμισμένα ραδιοκύματα βοηθούν τα πιο θερμά άτομα να διαφύγουν. Η όλη διαδικασία διεξάγεται σε θάλαμο υψηλού κενού.

Οταν το νέφος ψυχτεί σε θερμοκρασία γύρω στα 500 δισεκατομμυριοστά του βαθμού, σχηματίζει ένα συμπύκνωμα Μποζ - Αϊνστάιν, μια πολύ παράξενη μορφή ύλης, στην οποία τα εκατομμύρια άτομα που απομένουν μετά την εξαέρωση συμπεριφέρονται με απόλυτα συγχρονισμένο τρόπο. Αυτά τα συμπυκνώματα είναι τα πιο κρύα σημεία σε ολόκληρο το σύμπαν.

Στη συνέχεια το νέφος ατόμων φωτίζεται και πάλι από το πλάι με την ακτίνα ελέγχου. Για να μετρηθεί η ταχύτητα του παλμού στην άλλη άκρη υπάρχει ένας αισθητήρας που καταγράφει το χρόνο εξόδου. Μετρώντας το μήκος του νέφους εκείνη τη στιγμή με τη βοήθεια μιας τρίτης ακτίνας, προκύπτει η ταχύτητα του παλμού μέσα στο νέφος.

Με το μπροστινό μέρος του παλμού φωτός να ταξιδεύει αργά και την ουρά του να τρέχει με την ταχύτητα του φωτός στο κενό, ο παλμός συσσωρεύεται μέσα στο νέφος σαν ακορντεόν. Θα περίμενε κανείς ότι η ένταση του φωτός θα αύξανε, καθώς η ίδια ποσότητα ενέργειας καταλαμβάνει μικρότερο χώρο. Ωστόσο κάτι τέτοιο δεν παρατηρείται. Αντίθετα, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διατηρεί την ίδια ένταση. Θέτοντας το ζήτημα διαφορετικά, ο αργός παλμός φαίνεται να περιέχει μόνο 1 στα 20 εκατ. φωτονίων που περιείχε πριν την είσοδό του στο νέφος ατόμων. Τι έγιναν όλα τα άλλα φωτόνια και η ενέργειά τους; Ενα μέρος από την ενέργεια πηγαίνει στα άτομα νατρίου, αλλά το περισσότερο μεταφέρεται στην ακτίνα ελέγχου. Η απευθείας μέτρηση της έντασης της ακτίνας αυτής το απέδειξε. Οταν το κύμα των αλλαγμένων σπιν των ατόμων φτάσει στο άκρο του συμπυκνώματος, τότε απορροφά ενέργεια από την ακτίνα ελέγχου και εκπέμπει και πάλι το φωτεινό παλμό με τη γνωστή ταχύτητα των 300.000 χλμ. την ώρα.

Για να επιτευχθεί το απόλυτο σταμάτημα του παλμού αρκεί να διακοπεί η ακτίνα ελέγχου την ώρα που ο παλμός βρίσκεται στη μέση του συμπυκνώματος. Τότε είναι σαν στις κβαντικές καταστάσεις των ατόμων να έχει αποθηκευτεί το ολόγραμμα του παλμού. Αυτό μπορεί προς το παρόν να γίνει μόλις για ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου πριν η θερμική κίνηση των ατόμων απορροφήσει τον αποθηκευμένο παλμό. Κανονικά, στο διάστημα αυτό το φως θα είχε ταξιδέψει γύρω στα 300 χιλιόμετρα. Οι επιστήμονες δοκίμασαν και διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης του παλμού εξόδου. Αυξάνοντας την ένταση του λέιζερ ελέγχου μόλις το ξανανάψουν, ο παλμός βγαίνει φωτεινότερος. Αναβοσβήνοντας το λέιζερ ελέγχου πέτυχαν να κομματιάσουν τον παλμό στην έξοδο. Αυτοί οι χειρισμοί μπορεί να φανούν χρήσιμοι σε μελλοντικά πειράματα και τεχνολογικές εφαρμογές.

Μήπως το νέο επιστημονικό επίτευγμα πετυχαίνει την κατάργηση της κίνησης και μάλιστα σε εκείνη τη φυσική πραγματικότητα που έχουμε συνηθίσει να ταυτίζουμε με την έννοια της κίνησης, δηλαδή το φως, αμφισβητώντας μια βασική αρχή του διαλεκτικού υλισμού; Αν και το θέμα αξίζει βαθύτερης ανάλυσης απ' αυτή που μπορεί να γίνει εδώ, η απάντηση φαίνεται να είναι: κάθε άλλο. Ο φωτεινός παλμός σταματά και φαινομενικά εξαφανίζεται, αφήνοντας μόνο ένα αποτύπωμα. Αλλά την ίδια στιγμή η ακτίνα λέιζερ ελέγχου αυξάνει σε ένταση, η κίνηση που «λείπει» από την πρώτη ακτίνα αναδύεται τώρα μέσα στη δεύτερη. Τα σπιν των ατόμων έχουν πάψει να είναι πια διατεταγμένα και φαίνεται να αποτυπώνουν όλη την απαραίτητη πληροφορία για την αντίστροφη «μετάγγιση» κίνησης, μόλις ξανανάψει η ακτίνα ελέγχου. Η πραγματικότητα έχει δείξει μια ακόμα μορφή του άπειρου πλούτου εκδηλώσεων της κίνησης και ο άνθρωπος έχει αποδείξει, για άλλη μια φορά, ότι είναι ικανός να γνωρίσει αυτόν τον πλούτο και να τον χρησιμοποιήσει για να αλλάξει τον κόσμο.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»

    

Πειραματική διάταξη

Τρεις ακτίνες λέιζερ και ένα υπέρψυχρο νέφος ατόμων νατρίου (το μέγεθός του δεν αποδίδεται με κλίμακα) μέσα σε ένα θάλαμο κενού αποτελούν τον πυρήνα του πειράματος επιβράδυνσης του φωτός. Η ακτίνα ελέγχου αλληλεπιδρά με το νέφος, κάνοντάς το διάφανο στον παλμό της διερευνητικής ακτίνας. Ενας φωτοπολλαπλασιαστής μετρά το χρόνο άφιξης του παλμού στο άλλο άκρο με ακρίβεια καλύτερη του ενός εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Η ακτίνα απεικόνισης μετρά το μήκος του νέφους εκείνη τη στιγμή, προβάλλοντας τη σκιά του πάνω σε μια κάμερα. Στο σχήμα δε φαίνεται το σύστημα που δημιουργεί το υπέρψυχρο νέφος νατρίου, στο οποίο εισέρχεται κάθε φωτεινός παλμός, ούτε οι ηλεκτρομαγνήτες που κρατούν το νέφος στη θέση του, ούτε επιπλέον λεπτομέρειες των οπτικών συσκευών

    

Πριν ο φωτεινός παλμός (κίτρινο) φτάσει το νέφος των ατόμων (μπλε) που θα τον «παγώσει», τα σπιν όλων των ατόμων (μικρά βέλη) είναι διατεταγμένα και η ακτίνα του λέιζερ ελέγχου (κόκκινο) πετυχαίνει να κάνει το νέφος διάφανο στον παλμό (1, 2). Το νέφος επιβραδύνει σε μεγάλο βαθμό και συμπιέζει τον παλμό (3) αλλάζοντας την κατάσταση των ατόμων στο κύμα που συνοδεύει το αργό φως. Οταν ο παλμός μπει ολόκληρος μέσα στο νέφος (4), η ακτίνα λέιζερ ελέγχου διακόπτεται (5), έχοντας σαν αποτέλεσμα το σταμάτημα του κύματος και του παλμού. Με μηδενική ταχύτητα το φως «εξαφανίζεται». Αργότερα (6) η ακτίνα λέιζερ ελέγχου ενεργοποιείται, οπότε ο φωτεινός παλμός αναγεννάται και το κύμα πάνω στο νέφος ατόμων ξαναρχίζει να κινείται