Το παγωμένο φως
Μέρος 3ο

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

1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο

Υπέρ-ψυχρα άτομα για να παγώσουμε το φως

Όσο πιο απότομα μεταβάλλεται ο δείκτης διάθλασης με τη συχνότητα, τόσο πιο αργά ταξιδεύει ο παλμός. Το πόσο απότομη μπορεί να είναι η μεταβολή του δείκτη περιορίζεται από το φαινόμενο Doppler. Η τυχαία δηλαδή κίνηση των ατόμων στο νέφος αερίου διαπλατύνει την κάθε ενεργειακή κατάσταση των ατόμων σε μια μικρή περιοχή ενεργειών - μια μικρή ενεργειακή ταινία. Το φαινόμενο Doppler είναι σαν την αλλαγή στον τόνο μιας σειρήνας η οποία κινείται προς ένα παρατηρητή ή απομακρύνεται από αυτόν. Φαντασθείτε λοιπόν την κακοφωνία των ηχητικών τόνων που θα ακούγαμε αν πολλά περιπολικά της αστυνομίας κινούνταν με διάφορες ταχύτητες, άλλα προς εσάς και άλλα απομακρυνόμενα. Η κατάσταση αυτή αντιστοιχεί με την ενεργειακή διαπλάτυνση των καταστάσεων των ατόμων λόγω του φαινομένου Doppler. 

Η ομάδα μας χρησιμοποιεί εξαιρετικά ψυχρά άτομα -πράγμα που σημαίνει ότι κινούνται πολύ αργά- για να ελαχιστοποιήσει την διαπλάτυνση Doppler. Συνεπώς οι ενεργειακές καταστάσεις είναι καθορισμένες με μεγάλη οξύτητα και η περιοχή συχνοτήτων όπου συμβαίνει η αλληλοεξουδετέρωση μπορεί να γίνει πολύ στενή. Αργό φως σε αέρια θερμοκρασίας δωματίου έχει επιτευχθεί από την ομάδα του Marlan O. Scully στο πανεπιστήμιο A&M University του Texas, από την ομάδα του Dmitry Budker στο πανεπιστήμιο Berkeley της California, και την ομάδα στο κέντρο Harvard-Smithsonian για την Αστροφυσική στο Cambridge της Μασσαχουσέτης, υπό την καθοδήγηση του Ronald L. Walsworth και Mikhail D. Lukin.  Η χρήση θερμών ατόμων απαλλάσσει τις ομάδες αυτές από την παραγωγή υπέρ-ψυχρών ατόμων αλλά περιορίζει τη δυνατότητά τους να επιβραδύνουν πολύ το φως. 

Ψύχουμε τα άτομα Νατρίου 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 σβήνουμε τις δέσμες λέιζερ, βυθίζοντας το εργαστήριο σε απόλυτο σκοτάδι και λειτουργούμε ηλεκτρομαγνήτες, των οποίων η συνδυασμένη δράση συγκρατεί τα άτομα σε μια παγίδα. Για 38 δευτερόλεπτα ψύχουμε τα άτομα με εξάτμιση, απομακρύνοντας τα θερμότερα εξ αυτών και κρατώντας τα πιο ψυχρά. Κατάλληλα συντονισμένα ραδιοκύματα, βοηθούν να επισπεύσουμε 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. 

ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ που επάγονται σ" ένα νέφος ατόμων από μια προσεκτικά συντονισμένη δέσμη λέιζερ είναι το κλειδί για την επιβράδυνση του φωτός. μια δέσμη λέιζερ σύζευξης, που περνάει μέσα από το νέφος, το κάνει διαφανές για το φως μιας άλλης ακριβώς ορισμένης συχνότητας (επάνω σχήμα), και προκαλεί μια οξεία μεταβολή του δείκτη διάθλασής του (κάτω σχήμα). η διαφάνεια επιτρέπει σε φως κατάλληλης συχνότητας να περνάει μέσα από το νέφος χωρίς να απορροφάται, και όσο πιο απότομη είναι η μεταβολή στο δείκτη διάθλασης, τόσο πιο αργά ταξιδεύει το φως. 

Όταν ψύξαμε το νέφος περίπου στα 500 δισεκατομμυριοστά του βαθμού, 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. 

Όταν το "πούρο" των ατόμων μας βρεθεί στη θέση που θέλουμε, το φωτίζουμε από το πλάι με τη δέσμη σύζευξης. Τότε στέλνουμε ένα διεισδυτικό παλμό κατά μήκος του άξονα του πούρου. Για να μετρήσουμε την ταχύτητα του φωτός, κάνουμε την πλέον απευθείας μέτρηση που μπορείτε να φαντασθείτε. Στεκόμαστε πίσω από αυτό το "πούρο" με έναν ανιχνευτή φωτός και περιμένουμε να εξέλθει το φως του παλμού, μετρώντας πόσος χρόνος πέρασε. Αμέσως μετά το πέρασμα του παλμού, μετράμε το μήκος του νέφους με μια ακόμη δέσμη λέιζερ που ανάβει από κάτω και προβάλλει τη σκιά του νέφους σε μια κάμερα. Το μήκος αυτό διαιρεμένο με την καθυστέρηση που είχε ο παλμός για να περάσει μας δίνει την ταχύτητα. Οι καθυστερήσεις είναι τυπικά της τάξης των microseconds έως milliseconds. Αυτό μπορεί ν' ακούγεται σαν μικρός χρόνος, αλλά ισοδυναμεί με τον χρόνο που χρειάζεται το φως για να κάνει μια διαδρομή πολλών χιλιομέτρων μέσα σε οπτικές ίνες τυλιγμένες σε μορφή πηνίου. 

Όταν επιβραδύνουμε ένα παλμό φωτός κατά ένα παράγοντα 20 εκατομμύρια, συμβαίνουν περισσότερα πράγματα από την ίδια τη μείωση της ταχύτητας. Στην αρχή ο παλμός φωτός μας έχει μήκος ενός χιλιομέτρου και τρέχει με ταχύτητα σχεδόν300.000χλμ/δευτερόλεπτο. (Το μήκος του εργαστηρίου είναι φυσικά πολύ μικρότερο από ένα χιλιόμετρο, αλλά αν τοποθετούσαμε το λέιζερ τόσο μακριά, οι παλμοί του θα είχαν αυτό το μήκος στον αέρα.) Το μπροστινό άκρο του παλμού διασχίζει το γυάλινο παράθυρο του θαλάμου κενού και εισέρχεται στην περιοχή όπου αιωρούνται τα άτομα Νατρίου. Εντός αυτού του νέφους το φως ταξιδεύει με ταχύτητα 60χλμ/ώρα. Ένας ποδηλάτης με ποδήλατο αγώνων ξεπερνάει σε ταχύτητα αυτό το αργό φως.