Η Lene Vestergaard Hau – μια Δανέζα φυσικός που κλείνει σήμερα τα 60 – έγινε πρωτοσέλιδο πριν 10 χρόνια επιβραδύνοντας το φως στα 17 μέτρα το δευτερόλεπτο (ή μικρότερη κατά 18 εκατομμύρια φορές από την ταχύτητα του φωτός στο κενό) μέσα σε υπέρψυχρα νέφη ατόμων νατρίου υψηλής πυκνότητα.
Λίγο αργότερα, μια άλλη ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Texas A&M. το Κέντρο Αστροφυσικής Harvard και το Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck στη Γερμανία, με επικεφαλής τους καθηγητές Marian Scully και Edward Fry, ανακοίνωσε μετρήσεις παρόμοιες με αυτές της Hau, χρησιμοποιώντας όμως άλλα υλικά επιβράδυνσης αντί για νάτριο – άτομα ρουβιδίου ή κρυστάλλους πυριτικού υττρίου – με αποτέλεσμα να ακινητοποιήσουν τις δέσμες του λέιζερ και ακολούθως να τις ξεκινήσουν και πάλι.
Η ταχύτητα του φωτός – 299. 792.458 μέτρα το δευτερόλεπτο στο κενό – είναι μια ακατανόητα υψηλή ταχύτητα. Αν διαδίδεται μέσα στο νερό η ταχύτητα του επιβραδύνεται σε περίπου 224.844.344 μέτρα το δευτερόλεπτο, και σταματάνε μόνο όταν κτυπήσουν έναν τοίχο. Αλλά πριν το κατόρθωμα της Hau το φως ποτέ δεν έφτασε τα 17 μέτρα στο δευτερόλεπτο και ποτέ δεν συνέχισε να ταξιδεύει με τον ίδιο τρόπο, ανέπαφο και γεμάτο κβαντικές πληροφορίες.
Επειδή τα φωτόνια ταξιδεύουν πολύ μακριά και πολύ γρήγορα δίχως να επιβραδύνονται καθόλου, έχουν γίνει το επίκεντρο της έρευνας για την ανάπτυξη και τη βελτίωση κβαντικών υπολογιστών και την βελτίωση των οπτικών επικοινωνιών. Το έργο της Hau δεν είχε άμεση εφαρμογή στην κβαντική επικοινωνία, γιατί η πειράματα της γίνονταν στα συμπυκνώματα Bose-Einstein, υπέψυχρα άτομα που ενεργούν ως ένα γιγαντιαίο σύνολο. Ωστόσο, από τότε οι έρευνες έχουν σαν σκοπό να χρησιμοποιήσουν το φως για την αποθήκευση και την επεξεργασία των πληροφοριών. Με την ακινησία του φωτός οι ερευνητές έχουν ένα εργαλείο για την αποθήκευση των bit. Θεωρητικά, αυτό είναι ένα νέο είδος μνήμης και οι φυσικοί σκέπτονται να κάνουν ότι μπορούν για να την βελτιώσουν.
Η Lene Vestergaard Hau δεν είχε σκοπό να γίνει πειραματικός φυσικός. Η κατάρτιση της ήταν θεωρητική, αν και κατά τη δεκαετία του 1980 στη Δανία και στη συνέχεια στο CERN εργάστηκε πάνω στη συμπυκνωμένη ύλη. Με τον τρόπο αυτό ανακάλυψε πώς να χρησιμοποιεί λέιζερ για να ψύχει άτομα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Το 1988 ταξίδεψε στην Αμερική για να κάνει ομιλίες και να ικανοποιήσει την επιθυμία της να δει αν αυτή η χώρα ήταν πραγματικά σαν αυτή που έβλεπε στο σινεμά. Κι όπως κατάλαβε ήταν πράγματι μεγάλη χώρα, με μεγάλα αυτοκίνητα και ομιλητικούς, ανοικτούς ανθρώπους.
Η Lene Hau έλαβε το διδακτορικό της από το Πανεπιστήμιο του Aarhus στη Δανία το 1991, ενώ το 1989 έμεινε δύο χρόνια με υποτροφία στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Από το 1999 έως σήμερα είναι καθηγήτρια Εφαρμοσμένης Φυσικής στο Harvard.
Η Hau όταν ήταν στην Αμερική επισκέφτηκε το Ινστιτούτο Rowland στο Καίμπριτζ, ένα μικρό μη κερδοσκοπικό Ινστιτούτο όπου είχε ιδρυθεί πρόσφατα. Εκεί συναντήθηκε με σπουδαίους φυσικούς – Michael Burns και Jene Golovchenko – που την ενθάρρυναν να διερευνήσουν την ψυχρή ύλη αν και δεν είχαν εργαστεί ποτέ σε αυτόν τον τομέα. Η Hau δέχθηκε γιατί της άρεσε ότι το πεδίο αυτό ήταν νέο και καθόλου προβλέψιμο, λέει.
Η Lene Vestergaard Hau αρχικά (καλοκαίρι του 1997) έπρεπε να σχεδιάσει πώς θα είχε ένα σύνολο ατόμων νατρίου στο κενό και μάλιστα κοντά στο απόλυτο μηδέν. Δηλαδή να φτιάξει ένα υπέρψυχρο συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτή η μορφή της ύλης την είχαν σκεφτεί θεωρητικά οι φυσικοί για πολλά χρόνια, έως ότου τρεις επιστήμονες – νομπελίστες τώρα – κατάφεραν να το κάνουν μόνο το 1995.
Η Hau επεδίωκε να χρησιμοποιήσει φως για να δοκιμάσει τις ιδιότητες του νέου αυτού είδους, όταν αποφάσισε να χρησιμοποιήσει το συμπύκνωμα για να παίξει με το φως. Το 1999, σε μία διάσημη πλέον διαπίστωση, έστειλε μια δέσμη φωτός από λέιζερ μέσα σε ένα συμπύκνωμα, αναγκάζοντας τα φωτόνια να παρεισφρήσουν μέσα στο εσωτερικό του. Όπως αναγνωρίζει και η ίδια ήταν ένα πολύ, πολύ δύσκολο πείραμα επειδή ήταν ακριβώς στο όριο του αδύνατου.
Τι όμως συνέβη στην πραγματικότητα;
Το συμπύκνωμα της Hau περιείχε άτομα νατρίου τοποθετημένα σε αυστηρά ακριβείς θέσεις με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου, ενώ φωτιζόταν με δέσμες ‘σύζευξης’ λέιζερ, που χρησιμεύει για να κάνουν το συμπύκνωμα διαφανές σε μια συγκεκριμένη συχνότητα του φωτός που προέρχεται από ένα άλλο λέιζερ.
Όταν τα φωτόνια αυτής της ειδικής συχνότητας, που εκπέμπεται με ένα βραχύ παλμό από το δεύτερο λέιζερ, έπεσαν πάνω στο συμπύκνωμα, προκάλεσαν μια κβαντική κατάσταση σκότους. Αυτό σημαίνει ότι τα άτομα του νατρίου εισήλθαν σε κατάσταση επαλληλίας – είναι σε δύο ενεργειακές καταστάσεις ταυτόχρονα. Και καθώς τα φωτόνια συναντάνε αυτά τα άτομα, έρχονται σε διεμπλοκή μαζί τους. Το εμπρόσθιο άκρο του παλμού του φωτός επιβραδύνεται οπότε το πίσω άκρο του παλμού το προφταίνει, και έτσι το φως συμπιέζεται σαν ένα ακορντεόν στο συμπύκνωμα πάχους 100 μικρών.
Το φως είχε επιβραδυνθεί πειραματικά προηγουμένως κατά ένα παράγοντα 165 – δηλαδή σε 1.816.923 μέτρα ανά δευτερόλεπτο περίπου – με τη χρήση της τεχνικής της διαφάνειας της Hau. Αλλά κάνοντας το φως να ταξιδεύει μόνο με 17 μέτρα το δευτερόλεπτο, έδωσε μια παγκόσμια ώθηση προς αυτή την κατεύθυνση. Ήδη οι ερευνητές έχουν επιβραδύνει το φως σε θερμά αέρια, καθώς και σε κρυστάλλους και ημιαγωγούς σε θερμοκρασία δωματίου.
Η επιβράδυνση του φωτός οδήγησε την Hau να κάνει νέα πειράματα ακινητοποιώντας το και ξεκινώντας το όποτε ήθελαν. Έτσι, το 2001 η ίδια και οι συνάδελφοί της απενεργοποίησαν το λέιζερ σύζευξης και ανακάλυψε ότι ο παλμός του φωτός στο συμπύκνωμα εξαφανίστηκε. Το χαρακτηριστικό του σχήμα, το πλάτος και η φάση, ωστόσο, ήταν αποτυπωμένα στα άτομα του νατρίου. Όταν το λέιζερ σύζευξης επέστρεψε και πάλι, τότε η ενέργεια της διερχόμενης δέσμης λέιζερ, ανάγκασε τα τροποποιημένα άτομα του νατρίου να αλλάξουν επίπεδα ενέργειας, με την ελευθέρωση ενός φωτεινού παλμού με την ίδια φάση και ένταση με εκείνη που είχε αρχικά αποσταλεί από την συσκευή του λέιζερ. Το φως είχε έρθει μέσα στο υλικό με πληροφορίες, μεταφέρθηκαν στην ύλη και εξαφανίστηκε. Τότε η ύλη παρήγαγε νέο φως με την ίδια πληροφορία. Διατηρήθηκε η όποια πληροφορία και εμφανίστηκε λίγο αργότερα.
Το 2007 η Hau και δύο μέλη του εργαστηρίου, Naomi Ginsberg και Sean Garner, πήγαν ένα βήμα πιο πάνω διαβιβάζοντας τα χαρακτηριστικά του παλμού του φωτός μεταξύ δύο συμπυκνωμάτων BEC, περίπου, 160 µm μακριά. . Έστειλαν ένα παλμό από το λέιζερ (που θέλουμε να περάσει) στο πρώτη συμπύκνωμα, για να επιβραδυνθεί. Ακολούθως έγινε απενεργοποίηση του δεύτερου λέιζερ που παράγει την δέσμη σύζευξης. Ο παλμός του φωτός από το πρώτο λέιζερ εξαφανίστηκε, αλλά προτού κοινοποιήσει πληροφορίες σχετικά με το πλάτος και τη φάση του στα άτομα του νατρίου. Αυτά τα άτομα είχαν επίσης δεχθεί μια ώθηση λόγω της σύγκρουσης τους με τα φωτόνια, ενώ η ορμή τα προώθησε έξω από το πρώτο συμπύκνωμα, προς ένα μικρό κενό και προς το δεύτερο συμπύκνωμα. Μόλις τα άτομα – ένα υλικό αντίγραφο των φωτονίων που εξαφανίστηκαν – έφτασαν στο δεύτερο συμπύκνωμα, τότε το λέιζερ σύζευξης άναψε και πάλι. Τότε τα άτομα αυτά, πρόθυμα να συμμετάσχουν στο δεύτερη συμπύκνωμα, άλλαξαν επίπεδα ενέργειας, απελευθερώνοντας φωτόνια με την ακριβή φάση και ένταση αυτών που είχαν εγγραφεί στο πρώτο συμπύκνωμα.
Όπως εξηγεί η Hau μεταφέροντας το φως σε ύλη και πάλι πίσω σημαίνει ότι οι κβαντικές πληροφορίες μπορούν να υποβάλλονται σε επεξεργασία. Οι οπτικές ίνες μπορούν έτσι να μεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις, και στη συνέχεια μπορούμε να τις διαβάσουμε με την βοήθεια της ύλης.
Δείτε και το σχετικό παλαιότερο άρθρο μας
Η φυσική εξήγηση του φαινομένου
Το παγωμένο φως: της Lene Vestergaard Hau
Leave a Comment