Αλχημείες με το φως προκαλούν σοκ στους φυσικούς

Από σελίδα του NewScientist, 21 Μαίου 2003

Σπάνια θα συναντήσουμε ισχυρισμούς του τύπου "απροσδόκητα και εκπληκτικά νέα φυσικά φαινόμενα" σε μια περίληψη μιας αξιόπιστης επιστημονικής εργασίας. Αλλά η πιο πρόσφατη αναφορά από τον πρωτοπόρο των φωτονικών κρυστάλλων, Ιωάννη Ιωαννόπουλο (John Joannopoulos) και την ομάδα του στο MIT, που σύντομα θα δημοσιευτεί στο Physical Review Letters, δεν απογοητεύει.

Οι ερευνητές τεκμηριώνουν το τελευταίο κοντρόλ πάνω στο φως: ένας τρόπος για να μετατοπιστεί η συχνότητα των φωτεινών ακτίνων σε οποιοδήποτε επιθυμητό χρώμα, με αποδοτικότητα κοντά στο 100%. "Ο βαθμός ελέγχου του φωτός είναι πραγματικά αρκετά συγκλονιστικός", σχολιάζει ο ειδικός στους φωτονικούς κρυστάλλους Eli Yablonovitch στο Πανεπιστήμιο Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες.

Εάν το φαινόμενο μπορεί να τιθασευτεί και να χρησιμοποιηθεί, θα ξεσηκώσει μια σειρά πεδίων - για παράδειγμα τη μετατροπή της θερμότητας σε φως. Όμως τώρα, ο μόνος τρόπος να μετατοπιστεί η συχνότητα μιας φωτεινής ακτίνας περιλαμβάνει την αποστολή ενός εξαιρετικά έντονου παλμού φωτός ­ με μια ισχύ πολλών μεγαβάτ ή ακόμα και γιγαβάτ - προς την ακτίνα.

Ο παλμός αλληλεπιδρά με την πρώτη ακτίνα του φωτός και αλλάζει την συχνότητα του, αλλά αυτή η τεχνική είναι ακόμη ακριβή, απαιτεί εξοπλισμό υψηλής ισχύος, και είναι γενικά ανεπαρκής. Αλλά όταν ο Joannopoulos και οι συνάδελφοί του Evan Reed και Marin Soljacic ερεύνησαν τι συμβαίνει όταν κύματα κλονισμού περνούν μέσω μιας συσκευής, του φωτονικού κρυστάλλου, ανακάλυψαν μια εντελώς απροσδόκητη επίδραση.

Θάλαμος των κατόπτρων

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι, που φτιάχνονται 'στριμώχνοντας' μαζί στρώματα υλικού που κάμπτουν το φως με διαφορετικούς τρόπους, μπορούν να σχεδιαστούν για να ανακλούν μερικές συχνότητες ενώ αφήνονουν άλλες συχνότητες να διαδίδονται κατευθείαν. Χρησιμοποιούνται για να οδηγήσουν το φως μέσω κυκλωμάτων με τον ίδιο τρόπο, που ηλεκτρονικά κυκλώματα οδηγούν το ηλεκτρικό ρεύμα.

Από προσομοιώσεις σε υπολογιστές, η ομάδα διαπίστωσε ότι τα κύματα κλονισμού, που διέρχονται μέσω ενός κρυστάλλου αλλάζουν τις ιδιότητές του καθώς αυτά το συμπιέζουν. Παραδείγματος χάριν, ένας κρύσταλλος που επιτρέπει κανονικά να διέλθει το κόκκινο φως αλλά ανακλά το πράσινο φως μπορεί να γίνει διαφανές στο πράσινο φως και να κάνει ανάκλαση στο κόκκινο φως αντί του πράσινου.

Οι ερευνητές κατάλαβαν ότι εάν ένας φωτονικός κρύσταλλος σχεδιαστεί με έναν ορισμένο τρόπο, το εισερχόμενο φως μπορεί να παγιδευτεί στα όρια του κύματος κλονισμού, αναπηδώντας πέρα δώθε μεταξύ του συμπιεσμένου τμήματος του κρυστάλλου και του ασυμπίεστου μέρους, σε ένα φαινόμενο "θάλαμος των κατόπτρων".

Επειδή το κύμα κλονισμού κινείται μέσω του κρυστάλλου, το μήκος κύματος του φωτός αλλάζει, λόγω φαινομένου Doppler, κάθε φορά που αναπηδά πάνω του. Εάν το κύμα κλονισμού ταξιδεύει στην αντίθετη κατεύθυνση από το φως, η συχνότητα του φωτός θα γίνει μεγαλύτερη με κάθε αναπήδηση, ενώ εάν ταξιδεύει προς την ίδια κατεύθυνση, η συχνότητα πέφτει.

Μετά από περίπου 10.000 ανακλάσεις, που διαρκούν συνολικά γύρω στα 0.1 nanosecond, η συχνότητα του φωτός μπορεί να μετατοπιστεί εντυπωσιακά ­ από το κόκκινο μέχρι το μπλε, για παράδειγμα, ή από το ορατό φως προς τις υπέρυθρες ακτίνες. Με την αλλαγή του τρόπου που κατασκευάζεται ο κρύσταλλος, είναι πιθανό να ελεγχθούν ποιες ακριβώς συχνότητες μπορούν να μπουν στον κρύσταλλο και ποιες θα βγαίνουν. "Μπορούμε να κάνουμε πράγματα που δεν ήταν ποτέ δυνατά πριν", σχολιάζει ο Joannopoulos.

Πυροβολώντας σφαίρες

Η τεχνική μπορεί ακόμη και να εστιαστεί από μια ευρεία σειρά συχνοτήτων σε μια στενή περιοχή, κάτι που καμία άλλη γνωστή μέθοδος δεν μπορεί να κάνει, λέει ο Joannopoulos. Τα κανονικά φίλτρα χρώματος αφήνουν μόνο να περάσουν μόνο οι επιθυμητές συχνότητες και κόβουν τις άλλες, που ένα μεγάλο μέρος της ενέργειας χάνεται.

Η ομάδα συνεργάζεται τώρα με ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore για να καταδείξει το φαινόμενο. Αρχικά θα παραγάγουν κύματα κλονισμού πυροβολώντας σφαίρες στα φωτονικά κρύσταλλα. Αυτό θα μπορούσε να καταστρέψει τον κρύσταλλο, αλλά μέχρι τότε το φως έχει χρόνο για να αλλάξει συχνότητα. Τελικά, τα ηχητικά κύματα θα πρέπει να κάνουν την ίδια εργασία με τα κύματα κλονισμού, εξ ίσου καλά, λένε. "Είναι πραγματικά πρακτικό, και ενδεχομένως ακόμα ευκολότερο να το κάνουν από τα πραγματικά κύματα κλονισμού", αναφέρει ο Reed.

Η εργασία είναι εντυπωσιακή, λέει ο χημικός των υλικών Michael Sailor στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Σαν Ντιέγκο, η ομάδα του οποίου έχει αναπτύξει τα εύκαμπτα, βιοδιασπώμενα φωτονικά κρύσταλλα. Αναφέρει ότι προγραμματίζει τώρα να εξετάσει το φαινόμενο για τον ίδιο.

Εκτός από την κατασκευή συσκευών όπως οι λαμπτήρες φωτός και αποδοτικότερες ηλιακές κυψέλες, η μέθοδος θα βοηθούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σε οπτικά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Προς το παρόν, πολλές συχνότητες φωτός ανακλώνται από τις οπτικές ίνες ταυτόχρονα. Εάν μια ιδιαίτερη συχνότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αποθήκευση, τότε οι οπτικοί διακόπτες θα μπορούσαν να μετατοπίσουν τις φωτεινές ακτίνες σε μια συχνότητα, όπου υπάρχει ακόμα δυνατότητα για ρεζέρβα.

Ένα άλλο όφελος από τη μεταβολή της συχνότητας του φωτός θα ήταν η δυνατότητα να μετατραπεί το φως σε ακτινοβολία συχνότητας terahertz. Οι ακτίνες terahertz, που βρίσκονται στην περιοχή μεταξύ των μικροκυμάτων και της υπέρυθρης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για την ιατρική απεικόνιση, καθώς είναι ευκολότερο να εστιαστούν και είναι λιγότερο καταστρεπτικές από τις ακτίνες X. Αλλά ακόμα δεν χρησιμοποιούνται ευρέως δεδομένου ότι είναι επίσης δύσκολο να παραχθούν.

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