Θεωρίες φυσικής

Η εξήγηση του πειράματος της Lene Hau

Share

Το νέφος των ατόμων του νατρίου

Για να παγώσει το φως η ομάδα της Lene Vestergaard Hau πρέπει αρχικά να παράγει ένα υπέρψυχρο νέφος ατόμων Νατρίου – με τυπικές διαστάσεις 0,2 mm μήκος και 0,05 mm διάμετρο – παγιδευμένα με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου και σε θερμοκρασία ενός εκατομμυριοστού του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Τα άτομα του νατρίου ψύχονται με ένα συνδυασμό δεσμών λέιζερ, μαγνητικών πεδίων και ραδιοκυμάτων. Τα άτομα βγαίνουν κατ’ αρχήν από μια θερμή πηγή ως δέσμη μεγάλης έντασης με ταχύτητες της τάξης των 2.600 χλμ/ώρα. Μια δέσμη λέιζερ χτυπάει τα άτομα κεντρικά και σε ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου τους κατεβάζει την ταχύτητα σε 160χλμ/ώρα – μια επιβράδυνση 70.000 φορές αυτήν της βαρύτητας από μια δέσμη λέιζερ που δεν μπορεί να κάψει ούτε το δάχτυλό σας. Ακόμη μεγαλύτερη ψύξη με λέιζερ επιτυγχάνεται με οπτικές μολάσσες – 6 δέσμες αγκαλιάζουν τα άτομα απ’ όλες τις μεριές – και κατεβάζουν τη θερμοκρασία περίπου στα 50 χιλιοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Σε λίγα δευτερόλεπτα συγκεντρώνουμε 10 δισεκατομμύρια άτομα μέσα στις μολάσσες. Στη συνέχεια οι επιστήμονες σβήνουν τις δέσμες λέιζερ, βυθίζοντας το εργαστήριο σε απόλυτο σκοτάδι και δουλεύουν με ηλεκτρομαγνήτες, των οποίων η συνδυασμένη δράση συγκρατεί τα άτομα σε μια παγίδα. Για 38 δευτερόλεπτα ψύχουν τα άτομα με εξάτμιση, απομακρύνοντας τα θερμότερα εξ αυτών και κρατώντας τα πιο ψυχρά. Κατάλληλα συντονισμένα ραδιοκύματα, βοηθούν να επισπεύσουν την απομάκρυνση των θερμών ατόμων. Όλη αυτή η διαδικασία, από την θερμή δέσμη ατόμων, μέχρι την παγίδευση των ψυχρών μόνο ατόμων εξελίσσεται μέσα σ’ ένα θάλαμο κενού όπου επικρατεί πίεση μόλις 10-14 (10 τετράκις εκατομμυριοστά) της ατμοσφαιρικής πίεσης. 

Όταν ψύχεται το νέφος, περίπου, στα 500 δισεκατομμυριοστά του βαθμού Κέλβιν, σχηματίζεται ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, μια πολύ παράξενη κατάσταση της ύλης στην οποία τα αρκετά εκατομμύρια των ατόμων που απέμειναν μετά την εξάτμιση της ψυκτικής διαδικασίας, συμπεριφέρονται κατά τελείως συγχρονισμένο τρόπο. Αυτά τα υπέρ- ψυχρά νέφη ατόμων, που αιωρούνταν ελεύθερα στη μέση του θαλάμου κενού με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου, είναι οι πιο ψυχρές περιοχές του Σύμπαντος. Το εκπληκτικό είναι πως η υπόλοιπη εγκατάσταση του πειράματος, σε απόσταση ενός εκατοστομέτρου από το νέφος βρισκόταν σε θερμοκρασία δωματίου. Τα παράθυρα του θαλάμου που έκλειναν αεροστεγώς μας επέτρεπαν να βλέπουμε τα άτομα απευθείας με τα μάτια μας κατά τη διαδικασία της ψύξης. Ένα νέφος ατόμων μέσα στην οπτική μολάσσα μοιάζει με ένα μικρό λαμπερό ήλιο, διαμέτρου 5 χιλιοστομέτρων. ΜΙα τόσο εύκολη οπτική επαφή με το αντικείμενό μας, μας επιτρέπει να χειραγωγούμε τα άτομα όπως εμείς θέλουμε. 

Το νάτριο επιλέχτηκε γιατί έχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο στη στιβάδα σθένους. Αυτό το ηλεκτρόνιο σθένους κάνει όλη τη δράση: Οι διαφορετικές διεγερμένες στάθμες ενός ατόμου νατρίου αντιστοιχεί στη μετάβαση του ηλεκτρονίου αυτού σε υψηλότερες τροχιές (καταστάσεις) γύρω από τον πυρήνα. Στις τροχιές αυτές το ηλεκτρόνιο έχει μεγαλύτερη ενέργεια από αυτή που έχει στη συνηθισμένη του θεμελιώδη τροχιά και αυτές οι καταστάσεις καθορίζουν το πως αλληλεπιδρά το άτομο με το φως – δηλαδή ποιες συχνότητες απορροφώνται ισχυρά και ποιες όχι. Επιπρόσθετα, τόσο το ηλεκτρόνιο σθένους όσο και ο πυρήνας είναι ‘μαγνήτες’. Ο μαγνητισμός του ηλεκτρονίου σχετίζεται με το σπιν του. Οι ακριβείς ενέργειες των διεγερμένων σταθμών του ατόμου εξαρτώνται από τον τρόπο με τον οποίο ευθυγραμίζονται το σπιν του πυρήνα με το σπιν του ηλεκτρονίου σθένους.

Αν και ένα άτομο μπορεί να έχει κατ’ αρχήν πολλές τέτοιες καταστάσεις, χρησιμοποιούμε μόνο 3 από αυτές για να επιβραδύνουμε το φως. Στα πειράματα της Hau μετά την ψύξη του νέφους των ατόμων του νατρίου, κάθε άτομο βρίσκεται στην κατάσταση 1, δηλαδή την θεμελιώδη κατάσταση. Εκεί το ηλεκτρόνιο έχει τη μικρότερη τροχιά (και ενέργεια) και το σπιν του είναι ακριβώς αντιπαράλληλο με το σπιν του πυρήνα. Επίσης η ολική μαγνήτιση κάθε ατόμου είναι προσανατολισμένη αντίθετα ή αντιπαράλληλα με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που χρησιμοποιήσαμε για να συγκρατήσουμε το νέφος των ατόμων. Η κατάσταση 2 είναι μια παρόμοια κατάσταση, μόνο που τώρα το ηλεκτρονικό και το πυρηνικό σπιν είναι παράλληλα, πράγμα που ανεβάζει λίγο την ενέργεια αυτής της στάθμης. Η κατάσταση 3 έχει περίπου 300.000 φορές περισσότερη ενέργεια από την κατάσταση 2 και παράγεται με την μεταπήδηση του ηλεκτρονίου σθένους σε ακόμα μεγαλύτερη τροχιά. Τα άτομα που επιστρέφουν από την κατάσταση 3 στην κατάσταση 1 ή 2 εκπέμπουν το χαρακτηριστικό κίτρινο φως νατρίου που βλέπουμε και στους λαμπτήρες των δρόμων.

Ο παλμός του λέιζερ, που θέλουμε να επιβραδύνουμε, συντονίζεται ακριβώς στην ενεργειακή διαφορά μεταξύ των καταστάσεων 1 και 3.  Αν όμως στείλουμε ένα παλμό αυτού του φωτός στο νέφος χωρίς να γίνει καμιά προπαρασκευή, τα άτομα θα απορροφήσουν πλήρως τον παλμό και θα ‘πηδήξουν’ από την κατάσταση 1 στην κατάσταση 3.  Μετά από ένα σύντομο χρονικό διάστημα, τα διεγερμένα άτομα θα επιστρέψουν στη θεμελιώδη κατάσταση επανεκπέμποντας το φως αλλά με τυχαίο τρόπο και προς όλες τις κατευθύνσεις. Το νέφος θα φωτοβολεί με λαμπερό κίτρινο φως, αλλά όλη η πληροφορία για τον αρχικό παλμό θα έχει διασκορπιστεί. Το νέφος είναι αδιαφανές για τους παλμούς αυτούς.

Ηλεκτρομαγνητικά Επαγόμενη Διαφάνεια

Για να εμποδίσουμε αυτή την απορρόφηση, χρησιμοποιούμε την ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια (ΗΕΔ), ένα φαινόμενο που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1990 από την ομάδα του Stephen Harris στο πανεπιστήμιο του Stanford το 1991.

Ο Stephen Harris και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι σε υλικά που διαθέτουν περισσότερες από μια θεμελιώδεις ενεργειακές καταστάσεις, είναι δυνατόν να μη συμβεί απορρόφηση της διερχόμενης δέσμης εάν χρησιμοποιηθεί ταυτόχρονα και μια δεύτερη δέσμη λέηζερ. H ενέργεια της δεύτερης δέσμης, που ονομάζεται δέσμη σύζευξης ή λέηζερ σύζευξης, πρέπει να είναι ίση με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ μιας άλλης θεμελιώδους κατάστασης, με ελαφρώς υψηλότερη όμως ενέργεια, και μιας διεγερμένης κατάστασης. Με άλλα λόγια, τα φωτόνια που απαρτίζουν τη δέσμη σύζευξης πρέπει να έχουν ελαφρώς χαμηλότερη ενέργεια από τα αντίστοιχα φωτόνια της διερχόμενης δέσμης. Ετσι προκαλείται ένα κυματομηχα-νικό φαινόμενο γνωστό ως αρνητική συμβολή, με αποτέλεσμα το υλικό μέσο να καθίσταται διαφανές στη διερχόμενη δέσμη, η οποία περνά με μικρή σχετικά απορρόφηση.

Για παράδειγμα, η Hau και η ομάδα της ανέφεραν ότι απουσία της δέσμης σύζευξης, η διερχόμενη δέσμη απορροφήθηκε πλήρως από τα άτομα νατρίου, ενώ αντίθετα, παρουσία της δέσμης σύζευξης, ένα σημαντικό ποσοστό της διερχόμενης δέσμης διέσχισε το υλικό. Παρότι η απορρόφηση της διερχόμενης δέσμης αναστέλλεται παρουσία της δέσμης σύζευξης, δεν συμβαίνει το ίδιο και με τη διασπορά της. H εξάρτηση του δείκτη διάθλασης του υλικού από τη συχνότητα της διερχόμενης δέσμης παρουσιάζει πολύ έντονες διακυμάνσεις όταν η συχνότητα αυτής είναι κοντά στη συχνότητα εκπομπής μεταξύ μιας εκ των θεμελιωδών και μιας εκ των πρώτων διεγερμένων καταστάσεων των ατόμων του υλικού. Αυτή η ιδιαίτερα έντονη μεταβολή του δείκτη διάθλασης σε μια εξαιρετικά μικρή ενεργειακή περιοχή, είναι που προκαλεί την επιβράδυνση της διερχόμενης δέσμης, αλλά και την παρουσία αξιοπρόσεκτων, μη γραμμικών, οπτικών φαινομένων.

Στο ιστορικό πείραμα λοιπόν χρησιμοποιήθηκε μια δεύτερη δέσμη λέιζερ με προσεκτικά επιλεγμένη συχνότητα εκπέμπει φως προς το νέφος και το μεταβάλλει από τελείως αδιαφανές σε διαφανές όπως το καθαρό γυαλί, αλλά η διαφάνεια αναφέρεται στο φως μιας άλλης καθορισμένης συχνότητας.

Η δεύτερη δέσμη που επάγει (προκαλεί) την διαφάνεια, ή αλλιώς δέσμη σύζευξης, συντονίζεται μεταξύ των καταστάσεων 2 και 3. Τα άτομα του νατρίου στην κατάσταση 1 δεν μπορούν να απορροφήσουν την δέσμη σύζευξης (καθότι έχει μικρότερη ενέργεια από την απαιτούμενη). Καθώς το φως του πρώτου λέιζερ που συντονίζεται στην κατάσταση 3 φθάνει στο νέφος, οι δύο δέσμες διεγείρουν τα άτομα σε μια κβαντική υπέρθεση των καταστάσεων 1 και 2, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε άτομο βρίσκεται συγχρόνως και στις δύο καταστάσεις.

Η βασική κατάσταση 1 από μόνη της θα απορροφούσε το φως του πρώτου παλμού που θέλουμε να περάσει, και η κατάσταση 2 από μόνη της θα απορροφούσε την δέσμη σύζευξης. Τα άτομα όμως και από τις δύο καταστάσεις (1 και 2) θα πήγαιναν στη στάθμη 3 ενώ στη συνέχεια θα αποδιεγείρονταν εκπέμπμτας φως κατά τυχαίο τρόπο. Όταν όμως οι δύο όμως διαδικασίες γίνονται μαζί, αλληλοεξουδετερώνονται – ένα φαινόμενο που λέγεται κβαντική συμβολή – και η πιθανότητα εμφάνισης της κατάστασης 3 μηδενίζεται.

time_delay

 

Η κατάσταση υπέρθεσης λέγεται σκοτεινή κατάσταση διότι ουσιαστικά τα άτομα δεν μπορούν να δουν τις δέσμες και “παραμένουν στο σκοτάδι”. Τα άτομα εμφανίζονται διαφανή στη δέσμη του παλμού που θέλουμε να διεισδύσει, διότι δεν μπορούν να απορροφήσουν τον παλμό όντας στην σκοτεινή κατάσταση. Ποιά υπέρθεση είναι σκοτεινή, δηλαδή ποιά αναλογία των καταστάσεων 1 και 2 χρειάζεται, ποικίλλει ανάλογα με τον λόγο των εντάσεων του φωτός στις δύο δέσμες. Αλλά αν το σύστημα ξεκινήσει με μια σκοτεινή κατάσταση ( στην περίπτωσή μας με 100% δέσμη σύζευξης και 100% κατάσταση 1), παραμένει στην σκοτεινή κατάσταση ακόμα και όταν φωτίσουμε με τους παλμούς διείσδυσης.

Επιβραδύνοντας το φως

decelaration_11

Πριν να φθάσει ο διερχόμενος παλμός του φωτός (κίτρινα βέλη) στο νέφος των ατόμων (μπλε παραλληλόγραμμο) όπου θα “παγώσει”, όλα τα σπιν των ατόμων είναι ευθυγραμμισμένα. Ακολούθως μια δέσμη λέιζερ σύζευξης (κόκκινο κάθετο βέλος) κάνει το νέφος διαφανές στον παλμό. (1,2).

decelaration_2

Το ατομικό νέφος, επιβραδύνει κατά πολύ και ταυτόχρονα συμπιέζει χωρικά τον παλμό (3), ενώ αλλάζει η κατάσταση των ατόμων του νέφους μ’ ένα κυματοειδή τρόπο συνοδεύοντας την αργή δέσμη του φωτός.

decelaration_3

Όταν ο παλμός βρίσκεται εντελώς μέσα στο νέφος (4), η δέσμη σύζευξης σβήνει – απενεργοποιείται (5), και ακινητοποιεί το κύμα και το διερχόμενο φως μέσα στο νέφος. Με μια μηδενική ταχύτητα το φως εξαφανίζεται.

decelaration_41Αργότερα (6), η δέσμη σύζευξης ανάβει ξανά, αναγεννώντας τον παλμό του φωτός και βάζοντας ξανά σε κίνηση το κύμα της μεταβολής των ατόμων και το φως. Το κάτω κίτρινο βέλος που δεν ήταν μέσα στο νέφος των ατόμων οπότε και δεν επιβραδύνθηκε, προηγείται.

Η μεταβολή του δείκτη διάθλασης του νέφους κλειδί της επιβράδυνσης

To φως διαδίδεται στο κενό με ταχύτητα c περίπου 300.000 km/sec ενώ όταν διέρχεται από άλλα υλικά με δείκτη διάθλασης n (δ.δ.) n>1, η ταχύτητα του γίνεται μικρότερη, c/n. Μήπως όμως μπορούμε να επιβραδύνουμε το φως κατασκευάζοντας οπτικά υλικά με εξαιρετικά μεγάλο δείκτη διάθλασης (δ.δ.); Όχι, γιατί σε υλικά με μεγάλο δ.δ. παρατηρούμε έντονη απορρόφηση του διερχομένου φωτός.

Έτσι, η Hau σκέφτηκε να φτιάξει συστήματα (νέφος και δέσμη σύζευξης) με δ.δ. n που να παρουσίαζε έντονες διακυμάνσεις γύρω από μια εξαιρετικά στενή ενεργειακή περιοχή κι όχι με μεγάλο δ.δ. H ταχύτητα διάδοσης μιας δέσμης φωτός που αποτελείται από πολλά επίπεδα κύματα με διαφορετική συχνότητα το κάθε ένα, είναι αντιστρόφως ανάλογη του ρυθμού μεταβολής του δείκτη διάθλασης n του υλικού ως προς την ενέργεια της δέσμης. Δημιουργώντας λοιπόν συστήματα με δ.δ. εξαιρετικά ευαίσθητους ως προς την ενέργεια της διερχόμενης δέσμης, έγινε εφικτή η επιβράδυνση του φωτός σε ταχύτητες μερικών μέτρων το δευτερόλεπτο.

Θα περίμενε κανείς ότι η προηγούμενη τεχνική θα μπορούσε ακόμα και να μηδενίσει την ταχύτητα διάδοσης της δέσμης. Σε αυτή την περίπτωση ωστόσο παρουσιάζεται ένα θεμελιακό πρόβλημα. Για να επιτευχθεί περαιτέρω μείωση της ταχύτητας της διερχόμενης δέσμης, πρέπει παράλληλα και η ένταση της δέσμης σύζευξης να μειωθεί. Μειώνοντας όμως την ένταση της δέσμης σύζευξης, μειώνεται και το εύρος ζώνης, το φάσμα δηλαδή των συχνοτήτων των επίπεδων μονοχρωματικών κυμάτων της διερχόμενης δέσμης, ώστε να λειτουργήσει ο μηχανισμός της ΗΕΔ για το σύστημα που προκαλεί την επιβράδυνση του φωτός. Καθώς λοιπόν η ένταση της δέσμης σύζευξης τείνει στο μηδέν, που είναι αναγκαία συνθήκη για την επίτευξη μηδενικής ταχύτητας, το επιτρεπόμενο εύρος ζώνης για τη διερχόμενη δέσμη τείνει και αυτό στο μηδέν, που σημαίνει ότι τελικά δεν θα υπάρχει διερχόμενη δέσμη για να επιβραδυνθεί.

delay_optical_beam

Οι μεταβολές του δείκτη διάδοσης του ατομικού νέφους φαίνεται να είναι η κύρια εξήγηση για τη διαδικασία επιβράδυνσης της διερχόμενης δέσμης φωτός. H δέσμη σύζευξης, περνώντας μέσα από το νέφος, το καθιστό διαφανές στη διερχόμενη δέσμη (επάνω). Παράλληλα καθιστά τον δείκτη διάθλασης του νέφους εξαιρετικά ευαίσθητο στην ενέργεια της διερχόμενης δέσμης (κάτω). Οσο μεγαλύτερη είναι η προαναφερθείσα ευαισθησία (γρήγορη μεταβολή του δ.δ.), τόσο μεγαλύτερη θα είναι η επιβράδυνση της διερχόμενης από το νέφος φωτεινής δέσμης.

  Η διαδικασία αυτή διαφέρει από πολλές απόψεις με τη διαδικασία επιβράδυνσης του φωτός από ένα συνηθισμένο μέσο με δείκτη διάθλασης μεγαλύτερο της μονάδας:

  1. Εκείνη που επιβραδύνεται είναι η ομαδική ταχύτητα και όχι η φασική ταχύτητα,
  2. Εκείνη που προκαλεί την επιβράδυνση είναι μια πολύ απότομη μεταβολή του δείκτη διάθλασης και όχι μια πολύ μεγάλη τιμή του ίδιου του δείκτη
  3. Η δέσμη σύζευξης πρέπει να είναι παρούσα καθ’ όλη τη διάρκεια της επιβράδυνσης.

Συμπέρασμα

Η επιβράδυνση και ακινητοποίηση του φωτός ξεκίνησε ένα νέο πεδίο θεωρητικής και πειραματικής έρευνας, προσφέροντας παράλληλα ένα σύνολο τεχνολογικών και επιστημονικών εφαρμογών (όπως κβαντικούς υπολογιστές, συμπυκνώματα Bose-Einstein) που μέχρι πρόσφατα ήταν ανέφικτες.  Μία εφαρμογή είναι η παραγωγή συμπυκνώματα όπου τα σωματίδια να βρίσκονται σε κατάσταση περιδίνησης, οπότε οι σχηματιζόμενες δίνες μπορούν να “αναρροφήσουν” τη διερχόμενη φωτεινή δέσμη, ακριβώς όπως συμβαίνει όταν ύλη βρεθεί κοντά στην επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας, Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η εργαστηριακή μελέτη φαινομένων που πιστεύεται ότι συμβαίνουν στις μαύρες τρύπες αλλά και άλλων μεγάλης κλίμακας κοσμολογικών φαινομένων.

Συγχρόνως το αργό φως κάνει δυνατή την πραγματοποίηση ενός νέου τύπου μη γραμμικής οπτικής, η οποία συμβαίνει συγκεκριμένα όταν μια δέσμη λέιζερ μεταβάλλει τις ιδιότητες μιας άλλης δέσμης. Η μη γραμμική οπτική είναι ένα τεράστιο πεδίο έρευνας, τόσο ως καθαρά θεμελιώδης έρευνα, όσο και για τις εφαρμογές της από τις μεθόδους απεικόνισης μέχρι τις τηλεπικοινωνίες. Συνήθως χρειάζονται δέσμες εξαιρετικά μεγάλης έντασης για να πετύχουμε φαινόμενα μη γραμμικής οπτικής. Με το αργό φως όμως και τα συνοδευτικά φαινόμενα, μπορούμε να έχουμε μη γραμμικά φαινόμενα ακόμη και με μικρό αριθμό φωτονίων. Τέτοια φαινόμενα θα μπορούσαν να φανούν χρήσιμα για τη δημιουργία υπερευαίσθητων οπτικών διακοπτών. 

Δείτε και το άρθρο

10 χρόνια από την επιβράδυνση του φωτός από την Lene Vestergaard Hau

Πηγές: physics4u, Περισκόπιο της Επιστήμης.

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share