Το παγωμένο φως
Μέρος 1ο

Ένα άρθρο της Lene Vestergaard Hau, από την ιστοσελίδα SciAm.com, Οκτώβριος 2003

1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο

Η επιβράδυνση μιας δέσμης φωτός μέχρι ακινησίας, μπορεί να στρώσει το δρόμο για νέες τεχνολογίες οπτικών επικοινωνιών, μαύρες τρύπες "γραφείου", και κβαντικούς υπολογιστές.

Ο καθένας γνωρίζει την ταχύτητα του φωτός ως μια από τις ακλόνητες σταθερές της φύσης. Δεν είναι εκπληκτικό λοιπόν ότι τα πειράματα για δραστική μείωση της ταχύτητας του φωτός απαιτεί σοβαρό εξοπλισμό και σκληρή δουλειά. Ένα τέτοιο πείραμα απαιτεί πρώτα απ' όλα προσεκτικό συντονισμό των συσκευών, αριστοποίηση της εγκατάστασης και στη συνέχεια επίπονη συλλογή των δεδομένων ώστε να συγκεντρωθεί συνεπές σύνολο μετρήσεων. Στο Ινστιτούτο Rowland για τις επιστήμες στο Cambridge της Μασσαχουσέτης εκτελέστηκε ένα τέτοιο εξαντλητικό πείραμα. 

Το πάγωμα του φωτός αρχίζει με μια διαδικασία στην οποία μια καλά συντονισμένη δέσμη λέιζερ εισέρχεται σ' ένα αδιαφανές υλικό διαφανές όμως σε μια δεύτερη δέσμη λέιζερ. 

Ο στόχος ήταν να μειωθεί δραστικά η ταχύτητα του φωτός από την τιμή των 300.000 Km/sec που έχει στον κενό χώρο. Τα πρώτα αποτελέσματα φάνηκαν στην επιβράδυνση παλμών φωτός κατά τον Μάρτιο του 1998. Όπως συμβαίνει συχνά σε πειράματα φυσικής- επειδή χρειάζονται πολλές ώρες για να δουλέψουν ολοκληρωμένα όλες οι συσκευές για πρώτη φορά - αυτό συνέβη κατά τις 4 τα ξημερώματα. Μέχρι τον Ιούλιο είχαμε κατέβει μέχρι την ταχύτητα ενός αεροπλάνου. Τον Ιούλιο θυμάμαι ότι πετούσα προς την Κοπεγχάγη όπου έπρεπε να δώσω κάποια μαθήματα και σκεφτόμουν ότι ταξίδευα ταχύτερα από το φως. Το ταξίδι μου θα διαρκούσε μια ώρα λιγότερο από όσο θα χρειαζόταν ένας από τους αργούς μας παλμούς φωτός. 

Τον επόμενο μήνα φτάσαμε τα 60 χλμ./ώρα και αποφασίσαμε ότι ήταν καιρός να βγει μια δημοσίευση. Η πραγματική ανταμοιβή για τη σκληρή δουλειά ήταν ότι καθόμαστε στο εργαστήριο μέσα στη νύχτα και παρακολουθούσαμε τους αργούς παλμούς φωτός, γνωρίζοντας ότι είμαστε οι πρώτοι στον κόσμο που βλέπαμε το φως να πηγαίνει τόσο αργά ώστε να μπορείς να το ξεπεράσεις ακόμη και με ένα ποδήλατο.  

Την τελευταία χρονιά ο σκοπός μας ολοκληρώθηκε. Φέραμε τους παλμούς φωτός σε τέλεια ακινησία, εντός μικροσκοπικών νεφών αερίων, που είχαν ψυχθεί κοντά στο απόλυτο μηδέν. Μπορούσαμε να κρατήσουμε τους παλμούς παγωμένους και ύστερα να τους αφήσουμε πάλι ελεύθερους να συνεχίσουν το δρόμο τους.

Εκτός από το ενδιαφέρον που έχει η ίδια η διαδικασία της επιβράδυνσης και παγώματος του φωτός, υπάρχει και ενδιαφέρον για τις εφαρμογές που εμφανίζονται. Σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες, τα υπέρ-ψυχρά νέφη ατόμων που χρησιμοποιούνται στα πειράματά μας σχηματίζουν συμπυκνώματα Bose-Einstein, αξιοσημείωτα δηλαδή συστήματα στα οποία όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση και δρουν συγχρονισμένα. Νέες μελέτες επάνω στα συμπυκνώματα Bose Einstein θα γίνουν δυνατές, στέλνοντας για παράδειγμα ένα παλμό φωτός μέσα από ένα συμπύκνωμα, όπου κινείται περίπου με την ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων, οπότε ελπίζουμε ότι ένα κύμα ατόμων "σερφάρει" πάνω στον παλμό φωτός. 

Η δουλειά για το αργό και παγωμένο φως, ανοίγει επίσης νέες δυνατότητες για οπτικές επικοινωνίες και αποθήκευση δεδομένων καθώς και για επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας - δηλαδή για κβαντικούς υπολογιστές που θα εκμεταλλεύονται τα κβαντικά φαινόμενα ώστε οι επιδόσεις τους να ξεπερνούν τις επιδόσεις των συμβατικών υπολογισμών. Το σύστημα για το πάγωμα του φωτός ουσιαστικά μετατρέπει μεταξύ ακίνητων μορφών κβαντικής πληροφορίας και φωτονίων που κινούνται με τη συνηθισμένη ταχύτητα του φωτός. 

Βάζοντας τα άτομα σε μια κβαντική κατάσταση

Πολλά συνηθισμένα υλικά επιβραδύνουν το φως. Το νερό για παράδειγμα επιβραδύνει το φως περίπου στα 75% της ταχύτητάς του στο κενό. Αλλά η μείωση της ταχύτητας αυτού του τύπου, που συνδέεται με το δείκτη διάθλασης, είναι περιορισμένη. Το διαμάντι, που έχει έναν από τους μεγαλύτερους δείκτες διάθλασης από τα διαφανή υλικά, επιβραδύνει το φως μόνο κατά ένα παράγοντα 2,4. Η ελάττωση της ταχύτητας  κατά παράγοντες δεκάδων ή εκατομμυρίων, απαιτεί νέα φαινόμενα που εξαρτώνται από την κβαντομηχανική. Η ομάδα μας παράγει τις συνθήκες τις συνθήκες για τα φαινόμενα αυτά σε ένα νέφος ατόμων Νατρίου - με τυπικές διαστάσεις 0,2 mm μήκος και 0,05 mm διάμετρο - παγιδευμένα σ' ένα μαγνητικό πεδίο και σε θερμοκρασία ενός εκατομμυριοστού του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. 

Γενική επισκόπηση

	Τίποτα δεν ταξιδεύει ταχύτερα από το φως στο κενό, αλλά το φως επιβραδύνεται μέσα σε διάφορα μέσα. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν δέσμες λέιζερ μέσα σε νέφη ατόμων, ώστε παλμοί φωτός να ταξιδεύουν στα νέφη αυτά με ταχύτητες ίσες με το 1: 20.000.000 της συνηθισμένης τους ταχύτητας. Αργότερα δηλαδή και από την κίνηση των οχημάτων στον εθνικό δρόμο.
	Μια παρόμοια τεχνική, ακινητοποιεί πλήρως τους παλμούς, μετατρέποντάς τους σε ένα κβαντικό αποτύπωμα των ατόμων. Στη συνέχεια μια άλλη δέσμη λέιζερ μετατρέπει τον παγωμένο παλμό ξανά σε κινούμενο παλμό φωτός με όλες τις αρχικές του ιδιότητες.
	Οι διαδικασίες της επιβράδυνσης και ακινησίας του φωτός έχουν πολλές ερευνητικές και τεχνολογικές εφαρμογές.

Βιβλιογραφία:

Electromagnetically Induced Transparency. Stephen E. Harris in Physics Today, Vol. 50, No. 7, pages 36–42; July 1997.

The Bose-Einstein Condensate. Eric A. Cornell and Carl E. Wieman in Scientific American, Vol. 281, No. 3, pages 40–45; March 1998.

Light Speed Reduction to 17 Metres per Second in an Ultracold Atomic Gas. Lene Vestergaard Hau, S. E. Harris, Zachary Dutton and Cyrus H. Behroozi in Nature, Vol. 397, pages 594–598; February 18, 1999.

Observation of Coherent Optical Information Storage in an Atomic Medium Using Halted Light Pulses. Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi and Lene Vestergaard Hau in Nature, Vol. 409, pages 490–493; January 25, 2001.