Παγίδευση ουδετέρων σωματιδίων με Laser
- 1ο μέρος
|
Ιστορικές προσπάθειες για ακινητοποίηση και παγίδευση ουδετέρων σωματίων-1ο μέροςΚαθώς πιάνετε το φύλλο ενός περιοδικού για να γυρίσετε σελίδα, σκεφτείτε προσεκτικά τι ακριβώς κάνετε. Κάθε φορά που θέλετε να πιάσετε μια σελίδα, πρέπει να τοποθετήσετε το ένα δάκτυλο πάνω από το χαρτί και το άλλο από κάτω κατά τρόπο ώστε η απόσταση μεταξύ κάθε δάχτυλου και του χαρτιού είναι περίπου ίση με τη διάμετρο ενός ατόμου. Στο σημείο αυτό τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια των δακτύλων σας απωθούν τα ηλεκτρόνια σε κάθε πλευρά της σελίδας. Αυτή η ελαφρή αναδιάταξη των φορτίων παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο που είναι αρκετά ισχυρό ώστε να σας επιτρέπει να σφίξετε τη σελίδα μεταξύ των δακτύλων σας. Σημειώστε ότι ασκώντας ηλεκτρικές δυνάμεις σε ατομική κλίμακα, μπορείτε να κρατάτε αντικείμενα που είναι στο συνολό τους ηλεκτρικά ουδέτερα. Aντίθετα το να μπορέσουμε να διαχειριστούμε ουδέτερα αντικείμενα ατομικού μεγέθους είναι μια τρομερή πρόκληση από τεχνική άποψη. Τα φορτισμένα αντικείμενα είναι πολύ πιο εύκολο να τα ελέγξουμε διότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία μπορούν να ασκούν πολύ ισχυρότερες δυνάμεις σ’ αυτά. Πράγματι πάνω από μισό αιώνα οι επιστήμονες έχουν εφαρμόσει ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις για να κινήσουν από απόσταση φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και ιόντα. Αλλά μόνο τα τελευταία λίγα χρόνια, οι ερευνητές κατάφεραν να κινήσουν ουδέτερα σωματίδια σε επιθυμητές αποστάσεις. Πιο συγκεκριμένα οι ερευνητές έχουν αναπτύξει συσκευές που χρησιμοποιούν laser για να παγιδεύσουν και να οδηγήσουν άτομα και σωματίδια μεγέθους μικρομέτρου με εκπληκτικό έλεγχο επάνω τους. Αυτές οι καινοτομίες έχουν οδηγήσει γρήγορα σε μια πλατιά γκάμα εφαρμογών. Το ερευνητικό γρουπ που διευθύνω, έχει ψύξει άτομα σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, πράγμα που μας επέτρεψε να εξετάσουμε τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης και ασυνήθεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φωτός και υπέρψυχρων ατόμων. Έχουμε αρχίσει να αναπτύσουμε ατομικά ρολόγια και εξαιρετικά ευαίσθητα επιταχυνσιόμετρα. Οι τεχνικές μας εφαρμόζονται για να διαχειριστούμε μεμονωμένα μόρια όπως μεγάλα πολυμερή. Επιπρόσθετα έχουμε αναπτύξει μια οπτική λαβίδα που χρησιμοποιεί δέσμες laser για να πιάσει και να μετακινήσει οργανίδια εντός των κυττάρων χωρίς να τρυπήσει τις ενδιάμεσες μεμβράνες. Σχεδόν μια δεκαετία πριν να
μάθουν οι επιστήμονες να ελέγχουν τα ουδέτερα
σωματίδια από απόσταση με φως laser, πέτυχαν
μερικούς από τους ίδιους στόχους
χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία. Εφάρμοζαν
πεδία για να εστιάζουν τα άτομα σε δέσμες και να
τα παγιδεύουν. Όταν έμαθαν να παγιδεύουν τα άτομα
και με laser, στράφηκαν στο τεράστιο οπλοστάσιο των
τεχνικών laser που τους επέτρεπε να ασκούν ακριβή
έλεγχο πάνω στα ουδέτερα σωματίδια. Τα άτομα μπορούν επίσης να παγιδευτούν με φως από laser. Το φως μπορεί να ασκήσει δυνάμεις και άλλα ουδέτερα σωματίδια γιατί μεταφέρει ορμή. Αν ένα άτομο βομβαρδιστεί με μια δέσμη laser ορισμένης συχνότητας, θα απορροφά συνεχώς και θα επανεκπέμπει φωτόνια, τα κβάντα του φωτός. Καθώς το άτομο απορροφά φωτόνια, θα δέχεται ένα καταιγισμό από ωθήσεις στην κατεύθυνση διάδοσης του φωτός. Οι ωθήσεις αυτές προστίθενται για να δώσουν μια "σκεδάζουσα" δύναμη που είναι ανάλογη προς την ορμή κάθε φωτονίου και προς τον αριθμό των φωτονίων που σκεδάζει το άτομο στη μονάδα του χρόνου. Φυσικά για κάθε φωτόνιο που απορροφά το άτομο, πρέπει να εκπέμπει και ένα. Αλλά επειδή τα εκπεμπόμενα φωτόνια δεν έχουν προτιμητέα κατεύθυνση, η αλλαγή της ορμής εξαιτίας των εκπεμπομένων φωτονίων είναι κατά μέσο όρο μηδέν. Η απορρόφηση και η εκπομπή έχουν ως καθαρό αποτέλεσμα την ώθηση του ατόμου προς την κατεύθυνση διάδοσης του φωτός. |
||
Το μέγεθος αυτής της
σκεδάζουσας δύναμης είναι αρκετά μικρό. Αν ένα
άτομο απορροφά ένα μόνο φωτόνιο, η αλλαγή στην
ταχύτητά του είναι μικρή συγκρινόμενη με τη μέση
ταχύτητα των ατόμων ενός αερίου σε θερμοκρασία
δωματίου. Η ισχύς της σκεδάζουσας δύναμης
που ήταν εφικτή με χρήση laser δημιούργησε την
ελπίδα στους ερευνητές, ότι θα μπορούσαν όχι μόνο
να ακινητοποιήσουν τα άτομα αλλά και να τα
παγιδέψουν. Οι προσπάθειες όμως να σχηματιστούν
αρκετές δέσμες laser ώστε να μπορέσουν να συλλέξουν
και να συγκεντρώσουν άτομα σε μια περιοχή του
χώρου έμοιαζαν καταδικασμένες σε αποτυχία.
Σύμφωνα με ένα θεώρημα που είναι γνωστό ως Οπτικό
Θεώρημα Earnshaw, είναι αδύνατον να σχηματίσουμε μια
παγίδα ατόμων με φως, όποια διάταξη και αν
επινοήσουμε, αν η σκεδάζουσα δύναμη είναι
ανάλογη προς την ένταση του φωτός. Το πρόβλημα
έγκειται στο ότι δεν υπάρχει τρόπος οι δέσμες να
διαταχθούν ώστε να προκαλούν δυνάμεις μόνο προς
το εσωτερικό μιας περιοχής. Κάθε φως που
εισέρχεται σε μια περιοχή-παγίδα πρέπει επίσης
να εξέρχεται από αυτήν επανεκπεμπόμενο, και έτσι
να μεταφέρει επίσης δυνάμεις επί των σωματιδίων
της περιοχής προς τα έξω. O STEVEN CHU είναι καθηγητής φυσικής στην έδρα Theodore και Frances Geballe στο Πανεπιστήμιο του Stanford. Πήρε το Nobel φυσικής το 1997 μαζί με τους TANNOUDJI και PHILLIPS. Ο Steven Chu γεννήθηκε το 1948 στο St. Louis, της πολιτείας Missouri. Ελαβε το Doctora του στη φυσική το 1976 στο Πανεπιστήμιο της California, στο Berkeley. Μεταξύ των άλλων βραβείων ο Chu έλαβε το 1993 το διεθνές βραβείο για την επιστήμη (φυσική) King Faisal για την ανάπτυξη της τεχνικής της ψύξης με τη βοήθεια laser και την παγίδευση. |
||
|