|
|
Το παγωμένο φως
|
1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο |
|
Το νάτριο ανήκει στην οικογένεια των αλκαλίων τα οποία έχουν 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 μεγαλύτερες τροχιές γύρω από τον πυρήνα. Στις τροχιές αυτές το ηλεκτρόνιο έχει μεγαλύτερη ενέργεια από αυτή που έχει στη συνηθισμένη του τροχιά, η οποία λέγεται θεμελιώδης στάθμη. Οι καταστάσεις αυτές καθορίζουν πως αλληλεπιδρά το άτομο με το φως - ποιες συχνότητες απορροφώνται ισχυρά και ποιες όχι κ.ο.κ. Επιπρόσθετα, τόσο το ηλεκτρόνιο σθένους όσο και ο πυρήνας είναι μαγνήτες, δηλαδή συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικές πυξίδες. Ο μαγνητισμός του ηλεκτρονίου σχετίζεται με την εσωτερική του στροφορμή ή σπιν, κάπως σαν τον συσχετισμό του μαγνητισμού της Γης με την περιστροφή της γύρω από τον άξονά της. Οι ακριβείς ενέργειες των διεγερμένων σταθμών του ατόμου εξαρτώνται από τον τρόπο με τον οποίο ευθυγραμίζονται τα σπιν του πυρήνα και του ηλεκτρονίου σθένους. Αν και ένα άτομο μπορεί να έχει κατ' αρχήν πολλές τέτοιες καταστάσεις, χρησιμοποιούμε μόνο 3 εξ αυτών για να επιβραδύνουμε το φως. Στα πειράματά μας, όταν τελειώνουμε με την προπαρασκευή και ψύξη του νέφους των ατόμων, κάθε άτομο βρίσκεται στην κατάσταση 1, την θεμελιώδη κατάσταση. Εκεί το ηλεκτρόνιο έχει τη μικρότερη τροχιά 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 φωτός, τον οποίο επιθυμούμε να επιβραδύνουμε, συντονίζεται ακριβώς στην ενεργειακή διαφορά μεταξύ των καταστάσεων 1 και 3. Αν 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. Για να εμποδίσουμε αυτή την απορρόφηση, χρησιμοποιούμε ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια, ένα φαινόμενο που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1990 από την ομάδα του Stephen E. Harris στο πανεπιστήμιο Stanford. Στην ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια, μια 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 σε φως μιας άλλης καθορισμένης συχνότητας. Η δέσμη που επάγει τη διαφάνεια,
ή αλλιώς η δέσμη σύζευξης, συντονίζεται
μεταξύ των καταστάσεων 2 και 3. Τα άτομα
στην κατάσταση 1 δεν μπορούν να
απορροφήσουν την δέσμη σύζευξης. Καθώς
το φως που συντονίζεται στην κατάσταση
3 φθάνει στο νέφος, οι δύο δέσμες
διεγείρουν τα άτομα σε μια υπέρθεση των
καταστάσεων 1και 2, πράγμα που σημαίνει
ότι κάθε άτομο βρίσκεται συγχρόνως και
στις δύο καταστάσεις.  ΕΠΙΒΡΑΔΥΝΟΝΤΑΣ ΤΟ ΦΩΣ: Πριν να φθάσει ο παλμός φωτός (κίτρινο) στο νέφος ατόμων (μπλε) όπου θα "παγώσει", όλα τα σπιν των ατόμων (μικρά βέλη) είναι ευθυγραμμισμένα και μια δέσμη λέιζερ σύζευξης (κόκκινο) κάνει το νέφος διαφανές στον παλμό. (1,2). Το νέφος, επιβραδύνει κατά πολύ και συμπιέζει τον παλμό (3), ενώ αλλάζει η κατάσταση των ατόμων μ' ένα κυματοειδή τρόπο που συνοδεύει το αργό φως. Όταν ο παλμός βρίσκεται εντελώς μέσα στο νέφος (4), η δέσμη σύζευξης σβήνει (5), και ακινητοποιεί το κύμα και το φως. Σε μηδενική ταχύτητα το φως εξαφανίζεται. Αργότερα (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. Μια παρόμοια διαδικασία αλληλοεξουδετέρωσης, κάνει το δείκτη διαθλάσεως ίσο ακριβώς με μονάδα -όπως ο κενός χώρος - για το φως του παλμού διείσδυσης που είναι συντονισμένο για διέγερση ακριβώς στην κατάσταση 3. Σε ελαφρά διαφορετικές συχνότητες όμως, η αλληλοεξουδετέρωση είναι λιγότερο ακριβής και ο δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται. Ένας σύντομος παλμός φωτός εξαλείφει αυτή τη μεταβολή του δείκτη διάθλασης, διότι στην πραγματικότητα ένας παλμός περιέχει μια μικρή περιοχή συχνοτήτων. Καθεμιά από αυτές τις συχνότητες "βλέπει" και ένα διαφορετικό δείκτη διάθλασης και ως εκ τούτου ταξιδεύει και με διαφορετική ταχύτητα. Η ταχύτητα αυτή που αναφέρεται σε μια συνεχή δέσμη αποτελούμενη από μια μόνο συγκεκριμένη ταχύτητα λέγεται φασική ταχύτητα. Ο παλμός του φωτός εντοπίζεται εκεί όπου όλες αυτές οι συνιστώσες του παλμού βρίσκονται ακριβώς σε συγχρονισμό, ή όπως λέγεται τεχνικά είναι συμφασικές. Σε ένα συνηθισμένο μέσο όπως είναι ο αέρας ή το νερό, όλες οι συνιστώσες του παλμού κινούνται πρακτικά με την ίδια ταχύτητα, και η περιοχή που βρίσκονται σε συγχρονισμό, δηλαδή η περιοχή που βρίσκεται ο παλμός, ταξιδεύει επίσης με την ίδια ταχύτητα. Όταν οι συνιστώσες του παλμού κινούνται με ταχύτητες εντός της περιοχής ταχυτήτων που αντιστοιχούν στα διαφανή άτομα, το μέρος όπου βρίσκονται σε συγχρονισμό μετατοπίζεται προοδευτικά όλο και πιο πίσω. Με άλλα λόγια ο παλμός καθυστερεί (επιβραδύνεται). Η ταχύτητα του παλμού λέγεται ομαδική ταχύτητα, διότι ο παλμός όπως είπαμε αποτελείται από μια ομάδα ακτίνων με διαφορετικές συχνότητες. Η διαδικασία αυτή διαφέρει από
πολλές απόψεις με τη διαδικασία
επιβράδυνσης του φωτός από ένα
συνηθισμένο μέσο με δείκτη διάθλασης
μεγαλύτερο της μονάδας: |