Νέα μορφή για την ακτινοβολία Cerenkov

Από τη σελίδα του PhysicsWeb, 17 Ιανουαρίου 2003

Η ακτινοβολία Cerenkov -- η ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα φορτισμένο σωματίδιο όταν ταξιδεύει μέσα σε ένα μέσον γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός σε εκείνο το μέσο -- χρησιμοποιείται ευρέως στους ανιχνευτές και τους καταμετρητές σωματιδίων. Στα συμβατικά υλικά η ακτινοβολία Cerenkov εκπέμπεται προς την ίδια κατεύθυνση που κινούνται και τα φορτισμένα σωματίδια. Εντούτοις, ο Ιωάννης Ιωαννόπουλος και οι συνάδελφοι του στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Μασαχουσέτης (MIT) έχει υπολογίσει ότι αυτό δεν ισχύει για ένα φωτονικό κρύσταλλο (Science 299 368 C. Luo et Al2003).

Ένα φωτονικός κρύσταλλος είναι ένα υλικό που περιέχει μια περιοδική διευθέτηση των κενών γεμάτων με αέρα και που έχουν έναν χαμηλότερο δείκτη διάθλασης από το υλικό που το φιλοξενεί. Αυτή η περιοδική μεταβολή του δείκτη διάθλασης είναι που δίνει στο υλικό το "φωτονικό χάσμα των ζωνών του" -- το οπτικό ισοδύναμο του ενεργειακού χάσματος σε έναν ημιαγωγό. Ακριβώς όπως τα ηλεκτρόνια "βιώνουν" το περιοδικό δυναμικό σε έναν ημιαγωγό και αυτό περιορίζει την ενέργειά τους σε ορισμένες περιοχές, γνωστές ως ζώνες, έτσι και η περιοδική παραλλαγή του δείκτη διάθλασης σε ένα φωτονικό κρύσταλλο σημαίνει ότι μόνο ορισμένα μήκη κύματος του φωτός είναι σε θέση να περάσουν μέσω του κρυστάλλου.

Ο Ιωαννόπουλος και οι συνάδελφοι του έλυσαν τις εξισώσεις Maxwell για την περίπτωση ενός φορτισμένου σωματιδίου που κινείται μέσω ενός δισδιάστατου φωτονικού κρυστάλλου. Υπολόγισαν ότι η ακτινοβολία Cerenkov που εκπέμφθηκε από τον κρύσταλλο θα μπορούσε να εκπεμφθεί προς τα πίσω όσον αφορά την κατεύθυνση που ταξιδεύει το σωματίδιο. Επιπλέον, διαπίστωσαν ότι δεν υπήρχε κανένα κατώτατο όριο στη ταχύτητα εκπομπής της ακτινοβολίας Cerenkov -- αντίθετα από ότι συμβαίνει στα συμβατικά υλικά.

Οι προσομοιώσεις προβλέπουν ότι πρέπει να εκπεμφθούν περίπου μεταξύ 10 και 200 φωτονίων ανά ένα τετραγωνικό εκατοστό. Οι θεωρητικοί λένε ότι πρέπει να είναι δυνατό να ανιχνευθεί αυτό το σήμα από μια διαστατική φωτονιακή δομή κρυστάλλου βασισμένη στο πυρίτιο, στο εργαστήριο. Θεωρούν δε ότι το μοντέλο θα μπορούσε επίσης να επεκταθεί εύκολα και στα τρισδιάστατα κρύσταλλα.

Εάν αυτά τα αποτελέσματα υποστηρικτούν από το πείραμα, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες εφαρμογές, όπως οι ανιχνευτές σωματιδίων που να είναι ευαίσθητοι στην ταχύτητα, και σαν πηγές παραγωγής ακτινοβολίας σε επιλέξιμες συχνότητες.