Σφαίρες από φως

Από την ιστοσελίδα του περιοδικού Physical Review Σεπτέμβριος 2003

Μια νέα τεχνολογία επιτρέπει τον σχηματισμό μιας "σφαίρας" από φως η οποία διατηρεί το σχήμα της στις 3 διαστάσεις καθώς διαδίδεται μέσα σε ένα υλικό. Ο φωτεινός αυτός σχηματισμός που παράγεται αυθόρμητα από φως λέιζερ και διαδίδεται μέσα σε ένα κρύσταλλο, παρουσιάστηκε στο περιοδικό Physical Review Letters στις 29 Αυγούστου. Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτίωση μικροσκοπίων και συστημάτων για επεξεργασία του σχήματος διαφόρων υλικών.

Συμπαγείς παλμοί φωτός οι οποίοι έχουν μικρό μέγεθος και σύντομη διάρκεια, τείνουν να διαχέονται καθώς κινούνται μέσα σε υλικά όπως το γυαλί ή οι βιολογικοί ιστοί. Ένας παλμός που δεν διασκορπίζεται - μια σφαίρα φωτός- θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εστιάσει ακριβώς ένα μικροσκόπιο σε μια μικρή περιοχή στο κέντρο ενός χοντρού αντικειμένου, ή για δώσει ακόμη μεγαλύτερο έλεγχο στο χειρισμό των λέιζερ σε βιομηχανικές τους χρήσεις για μικροεπεξεργασία υλικών.

Ένας παλμός φωτός διασκορπίζεται καθώς διαδίδεται διότι αποτελείται από πολλές διαφορετικές συχνότητες (χρώματα), το καθένα εκ των οποίων έχει και μια ελαφρά διαφορετική ταχύτητα. Καθώς λοιπόν οι συχνότητες αυτές αποσυγχρονίζονται κατά την διάδοσή τους, ο παλμός γίνεται και πιο διάχυτος. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στον διασκεδασμό του φωτός. Οι παλμοί επίσης εμφανίζουν το φαινόμενο της περίθλασης. Η δέσμη φωτός ανοίγει δηλαδή σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσής τους. Όπως π.χ η δέσμη ενός λέιζερ ανοίγει ελαφρά κατά την πορεία της προς μια οθόνη.

Οι ερευνητές προσέγγισαν την δημιουργία σφαιρών φωτός με δύο βασικούς τρόπους. Οι λεγόμενες μη γραμμικές τεχνικές χρησιμοποιούν υλικά στα οποία η ταχύτητα του φωτός εξαρτάται από την έντασή του: Το έντονο φως ταξιδεύει πιο αργά από το ασθενές φως. Η διαφορά αυτή ταχυτήτων κάνει τα ασθενέστερα σε ένταση άκρα του παλμού να παραμένουν εστιασμένα προς το κεντρικό μέρος του παλμού το οποίο έχει την μεγαλύτερη ένταση. Με τον τρόπο αυτό περιορίζεται η περίθλαση. Και επειδή η ταχύτητα εξαρτάται επίσης από το χρώμα κάθε συνιστώσας του παλμού, οι ερευνητές μπορούν να ρυθμίσουν ώστε τα πιο αργά χρώματα να εστιάζονται προς το εμπρόσθιο μέρος του παλμού, ενώ τα ταχύτερα από αυτά προς το οπίσθιο μέρος του παλμού, κι έτσι να ακυρώνεται η διάχυση. Το αποτέλεσμα είναι ένα "σολιτόνιο" που διατηρεί το σχήμα του με την πάροδο του χρόνου. Τα σολιτόνια όμως είναι δύσκολο να δημιουργηθούν στις 3 διαστάσεις και συχνά καταρρέουν στον εαυτό τους.

Ένα παράδειγμα της άλλης τεχνικής - γραμμικής τεχνικής- είναι το γραμμικό κύμα σχήματος Χ. Ο σχηματισμός αυτός αποτελείται από 2 κώνους φωτός, κατά κορυφήν ο ένας με τον άλλο. Αν δούμε το σχήμα αυτό από το πλάι σχηματίζεται ένα Χ. Το φως συγκεντρώνεται στην κωνική επιφάνεια και στο σημείο όπου συναντιούνται οι κώνοι, αλλά δεν υπάρχει φως στο εσωτερικό των κώνων. Αυτό το παράξενο σχήμα του παλμού μπορεί να ταξιδεύει χωρίς να διαχέεται, διότι οι διαφορετικές συχνότητές του κινούνται σε διαφορετικές γωνίες κατά τρόπο που ακυρώνεται η περίθλαση. Αλλά η σύγχρονη ακύρωση του διασκεδασμού απαιτεί μια πολύπλοκη διάταξη και σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να είναι αδύνατη.

Ο Paolo Di Trapani του πανεπιστημίου Insubria στο Como της Ιταλίας, και οι συνεργάτες του, ασχολήθηκαν με ένα σχήμα παλμού ο οποίος φτιάχνεται με συνδυασμό σολιτονίων και γραμμικών κυμάτων Χ. Αυτό το κύμα Χ μοιάζει με το γραμμικό του αντίστοιχο, αλλά διατηρεί το σχήμα του χρησιμοποιώντας τις μη γραμμικές αρχές του σολιτονίου. Οι βραχίονες του Χ δρουν σαν ενεργειακή αποθήκη, η οποία συνεχώς "γεμίζει" το κεντρικό σημείο όπου επικρατεί η μεγάλη ένταση του φωτός, αποφεύγοντας έτσι την κατάρρευση, λέει ο Di Trapani. Ο ίδιος πιστεύει ότι αυτά τα αυθόρμητα κύματα Χ μπορούν να εμφανιστούν συχνά και σε άλλα εργαστήρια, αλλά τα πιο πολλά δεν είναι κατάλληλα εξοπλισμένα για να τα παρατηρήσουν.

Το αποτέλεσμα είναι "ένα σημαντικό βήμα στο πεδίο αυτό" λέει ο Lluis Torner του Ινστιτούτου Φωτονικών Επιστημών της Barcelona. και ο Frank Wise, του πανεπιστημίου Cornell στην Ithaca της Νέας Υόρκης, λέει ότι τα σολιτόνια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να στείλουμε πληροφορίες στους υπερ-ταχείς οπτικούς υπολογιστές του μέλλοντος. Έτσι ένα κύμα σαν σολιτόνιο στις 3 διαστάσεις μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο.