Οι 5 κορυφαίες ιστορίες της φυσικής κατά το 2006

Άρθρο, Ιανουάριος 2007

1. Η κβαντική τηλεμεταφορά βαδίζει προς την πραγματικότητα

Δεν πρόκειται ακριβώς για το ιστορικό "Διακτίνισε με, Scotty", αλλά για πρώτη φορά οι επιστήμονες έχουν τηλεμεταφέρει πληροφορίες μεταξύ του φωτός και των ατόμων, επιταχύνοντας έτσι την αναμενόμενη από καιρό εμφάνιση του πολύ γρήγορου κβαντικού υπολογιστή και των κρυπτογραφημένων κωδικών που δεν θα σπάνε ποτέ. Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι η διαδικασία που μια φυσική κατάσταση ενός υποατομικού σωματιδίου εξαφανίζεται από μια θέση και εμφανίζεται σε μια άλλη. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται σε ένα παράξενο φαινόμενο γνωστό ως διεμπλοκή, στην οποία ένα ζεύγος σωματιδίων έχει συμπληρωματικά χαρακτηριστικά, όπως δύο ηλεκτρόνια που έχουν αντίθετα σπιν. Η αβεβαιότητα της κβαντικής μηχανικής που δεν μπορεί ποτέ να γίνει μηδέν κάνει αδύνατο να προβλέψει κάποιος την κατάσταση ενός δεδομένου ηλεκτρονίου, αλλά επειδή τα δύο σωματίδια είναι πεπλεγμένα, η μέτρηση της κατάστασης του ενός αυτόματα καθορίζει την κατάσταση και του άλλου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι.

Προκειμένου να τηλεμεταφερθεί μια κατάσταση μεταξύ του φωτός και των ατόμων, ο Eugene Polzik και οι συνάδελφοί του στο Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη, σε συνεργασία με τον Ignacio Cirac του Ινστιτούτου Max Planck για την κβαντική οπτική στη Γερμανία, έκανε διεμπλοκή μιας ακτίνας φωτός με ένα μαγνητισμένο αέριο ατόμων καισίου. Οι ερευνητές κωδικοποίησαν έπειτα την κατάσταση που θέλησαν να τηλεμεταφέρουν στην ακτίνα του φωτός με τη βοήθεια των παλμών ενός λέιζερ. Διαχωρίζοντας τις πεπλεγμένες κβαντικές πληροφορίες από την  ακτίνα του φωτός και την αποκάλυψη του μηνύματος του λέιζερ, η ομάδα ήταν σε θέση να τηλεμεταφέρει τη συμπληρωματική κατάσταση στα άτομα σε μια απόσταση μισού μέτρου. "Για πρώτη φορά", λέει ο Polzik "έχει επιτευχθεί κβαντική τηλεμεταφορά μεταξύ του φωτός - του φορέα της πληροφορίας -και των ατόμων." Ήταν επίσης η πρώτη φορά που έγινε με ένα μακροσκοπικό ατομικό αντικείμενο ενεργώντας ως ο στόχος. Οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως τηλεμεταφέρει καταστάσεις μόνο μεταξύ ζευγών φωτονίων ή ζευγών ατόμων. Αλλά ένας πρακτικός κβαντικός υπολογιστής, σημειώνει ο Polzik, απαιτεί τη μεταφορά των πληροφοριών μεταξύ ενός συνεχούς ρεύματος στοιχείων, όπως είναι το φως, και μιας αποθηκευμένης κβαντικής κατάστασης, όπως είναι τα άτομα σε έναν σκληρό δίσκο.

2. Επιστήμονες δημιουργούν μια συσκευή που κάνει αόρατα τα αντικείμενα από τα μικροκύματα

Μια ομάδα αμερικανών και βρετανών ερευνητών ανέπτυξαν την πρώτη λειτουργική συσκευή, που κάνει αόρατα τα αντικείμενα γιατί τους επιτρέπει να εκτρέψουν τα μικροκύματα των ραντάρ προς το πίσω μέρος των αντικειμένων. Έτσι, οι ερευνητές ήταν σε θέση "να κρύψουν" έναν μικρό χάλκινο κύλινδρο 15 εκατοστών από μια ακτίνα μικροκυμάτων, εκτρέποντας βασικά τις ακτίνες - οπότε αυτό καταργεί την ανάκλαση τους - ενώ συναντιούνται στην άλλη πλευρά του αντικειμένου. Όμως η συσκευή δεν μπορεί να κρύψει τα αντικείμενα από το ανθρώπινο μάτι, καθώς λειτουργεί προς το παρόν στην περιοχή των μικροκυμάτων. Στο μέλλον, όμως, τα νέα υλικά που κατασκευάζονται με μεθόδους της νανοτεχνολογίας θα κάνουν τα αντικείμενα εντελώς αόρατα.

Οι ερευνητές David Schurig και David Smith του Πανεπιστημίου του Ντιούκ χρησιμοποίησαν έναν τύπο υλικού κατασκευασμένου στο εργαστήριο, που ονομάζεται μεταϋλικό  -- σε αυτήν την περίπτωση φτιάχτηκε από ένα χάλκινο σύρμα το οποίο διαμορφώθηκε πάνω σε φύλλα φάιμπεργκλας -- για να κατασκευάσουν τον επενδύτη. Η συσκευή αυτή φτιάχτηκε από 10 ομόκεντρους δακτυλίους από fibreglass καλυμμένους από χάλκινα μεταϋλικά (σύνθετα υλικά που μπορούν να αλλάζουν την κανονική πορεία του φωτός), διοχετεύει τα μικροκύματα γύρω από τον κύλινδρο αντί να ανακλώνται πάνω του.

Στην πιο πάνω συσκευή, για να είναι αποτελεσματικά τα μεταϋλικά θα πρέπει να είναι μικρότερα από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας στην οποία λειτουργούν. Ως γνωστόν τα μικροκύματα έχουν ένα αρκετά μεγάλο μήκος κύματος, γύρω στα 30 εκατοστά. Όμως στην περίπτωση του ορατού φωτός το μήκος κύματος είναι πολύ μικρότερο, λιγότερο από ένα μικρόμετρο, και η σημερινή τεχνολογία δεν επιτρέπει την κατασκευή τόσο μικρών στοιχείων από μεταϋλικά. Η εκτίμηση των ειδικών είναι ότι η νέα τεχνολογία της απόκρυψης θα μπορεί να κρύβει αντικείμενα από το ανθρώπινο μάτι το νωρίτερο σε πέντε με δέκα χρόνια.

3. Ανακαλύφθηκε η αντι-άπωση

Κανονικά, τα άτομα που απωθούνται μεταξύ τους θα απομακρυνθούν, ακριβώς όπως οι ομώνυμοι πόλοι δύο μαγνητών που είναι ο ένας απέναντι από τον άλλον. Όπως και για να βρεθούν μαζί δύο άτομα πρέπει να έλκονται. Αλλά κάποιοι φυσικοί κατά το 2006 ανάγκασαν τα άτομα να συνδεθούν παρά την αμοιβαία άπωση τους. Ο Andrew Daley, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία και οι συνάδελφοί του προκάλεσαν αυτόν τον δεσμό αντλώντας μια υπέρψυχρη συλλογή, υψηλής πυκνότητας, ατόμων ρουβιδίου - που είναι γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein - σε ένα τρισδιάστατο "κλουβί" από το φως ενός λέιζερ, γνωστού ως οπτικό δικτυωτό πλέγμα. Το δικτυωτό πλέγμα περιορίζει τα άτομα σε ιδιαίτερες ενεργειακές ζώνες, σαν να είναι τα άτομα παγιδευμένα σε ένα κρύσταλλο.

Εξ αιτίας του τρόπου λειτουργίας της κβαντομηχανικής, χάσματα μεταξύ των ζωνών είναι απαγορευμένες ζώνες, απαιτώντας ενέργειες που κανένα άτομο στο δικτυωτό πλέγμα δεν μπορεί να επιτύχει. Ρυθμίζοντας τη συχνότητα του φωτός του λέιζερ, ο Daley και οι συνάδελφοι του δημιούργησαν τέτοιες συνθήκες έτσι ώστε η ενέργεια ενός ζεύγους ατόμων που απωθούνται, θα αύξανε με το χωρισμό βάζοντας τα μέσα στην απαγορευμένη περιοχή. Μην έχοντας πουθενά να πάνε, τα άτομα πρέπει να μείνουν μαζί.

Στο σχήμα (a) βλέπουμε τα δύο άτομα που απωθούνται να είναι μαζί στο ίδιο φρέαρ δυναμικού και να απαγορεύεται ενεργειακά από την κβαντομηχανική να διαχωριστούν, πηγαίνοντας σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Στην εικόνα (b) και τα δύο άτομα αλλάζουν θέση στο πλέγμα με τη βοήθεια του φαινομένου της σήραγγας.

"Είναι σαν δύο ανθρώπους που μισούν ο ένας τον άλλον, αλλά το μίσος μεταξύ τους είναι τόσο πολύ που δεν μπορούν να χωρίσουν", λέει η η συνεργάτης Adrian Kantian του Daley. Αυτές οι διαμορφώσεις αγάπης και μίσους των ατόμων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να δοκιμαστούν οι κβαντικοί υπολογιστές και να σχηματιστούν υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, υλικά που διαβιβάζουν την ηλεκτρική ενέργεια με σχεδόν τέλεια αποδοτικότητα.

4. Η πιο εξωτική ιδιότητα του φωτός: κινείται προς τα πίσω

Το φως μπορεί να κάνει παράξενα πράγματα λένε οι επιστήμονες, λόγου χάριν φαίνεται να μπορεί να κινηθεί γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός σε ένα μέσον και μάλιστα μπορεί να πηγαίνει και προς τα πίσω.

Ο Robert Boyd, ένας ειδικός της οπτικής στο πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη μαζί με τους συναδέλφους του προκάλεσαν ένα περίεργο τέχνασμα χρησιμοποιώντας μια οπτική ίνα εμπλουτισμένη με έρβιο - ένα σπάνιο στοιχείο που επιλέχθηκε για να επιτρέψει την ενίσχυση του φωτεινού παλμού - το ίδιο είδος ίνας που χρησιμοποιείται και στις τηλεπικοινωνίες.

Οι φυσικοί διαχώρισαν ένα απλό παλμό λέιζερ στα δύο, στέλνοντας τον ένα να ταξιδέψει μέσω της οπτικής ίνας και επιτρέποντας στον άλλο παλμό να ταξιδέψει χωρίς παρεμβολή. Αρκετά παραδόξως, η πρώτη ακτίνα βγήκε από το άλλο άκρο της ίνας μπροστά από τον παλμό της σύγκρισης. Πιο περίεργα ακόμα, το φως που βγήκες ξέφυγε προτού ακόμη να εισαχθεί το αρχικό φως στην ίνα.

Αυτό που είχε συμβεί ήταν ότι μόλις εισήχθηκε ο αρχικός παλμός στην ίνα, η ίνα κλωνοποίησε αμέσως έναν ίδιο παλμό στο άλλο άκρο της ίνας. Έτσι ο κλωνοποιημένος παλμός βγήκε πριν εισέλθει το υπόλοιπο τμήμα του αρχικού παλμού. Συγχρόνως, ένας άλλος κλωνοποιημένος παλμός γύρισε προς τα πίσω μέσω της ίνας για να εξουδετερώσει τον αρχικό.

Έτσι τελικά, άλλος παλμός εισήχθη και άλλος προέκυψε, αλλά με έναν συγχρονισμό που έδειξε να παραβιάζει το φυσικό όριο της ταχύτητας του φωτός. Η υπέρβαση του ορίου ταχύτητας δεν συνέβη πραγματικά, καθ' ότι ο εξερχόμενος παλμός ήταν τμήμα του αρχικού, που μετασχηματίστηκε λόγω της ενισχυτικής δράσης του έρβιου μέσα στην ίνα, το οποίο προσέθεσε ένα στιγμιαίο ενεργειακό φορτίο.

Για να εξετάσουν εάν ο παλμός ταξίδευε προς τα πίσω όπως φάνηκε, η ομάδα ελάττωνε το μήκος της ίνας κατά λίγα εκατοστά τη φορά και επαναλάμβανε το πείραμα. Κάνοντας τα πειράματα μαζί σε σειρά, πρόσεξαν τότε την οπίσθια πρόοδο της ακτίνας. Η ίδια η ίνα, συμπεραίνουν αναδημιούργησε αμέσως τον παλμό στο άλλο άκρο, στέλνοντας ταυτόχρονα έναν άλλο παλμό προς τα πίσω.

Κανένας φυσικός νόμος δεν παραβιάζεται επειδή οι πληροφορίες στο παλμό ποτέ δεν ξεπερνάνε το φράγμα της ταχύτητας του φωτός. Τα τελευταία χρόνια οι φυσικοί έχουν μάθει επίσης να επιβραδύνουν το φως από τη συνηθισμένη ταχύτητα των 300.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Η αντικατάσταση των ηλεκτρικών διακοπτών με τους οπτικούς buffers που ελέγχουν την ταχύτητα του φωτός θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποδοτικότερα δίκτυα μεγάλων τηλεπικοινωνιών.

5. Το στοιχείο 118 κάνει το ντεμπούτο του στον Περιοδικό Πίνακα

Μια ομάδα Ρώσων και Αμερικανών επιστημόνων δημιούργησε το πιο βαρύ στοιχείο που φτιάχτηκε ποτέ στο εργαστήριο, αλλά κατάφερε να φτιάξει μόνο 3 άτομα από αυτό το παράξενο στοιχείο και για λιγότερο από το ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Το νέο στοιχείο θα είναι γνωστό ως στοιχείο 118 από τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα του, ένα πρωτόνιο περισσότερο από το προηγούμενο στοιχείο που ξέραμε μέχρι τώρα.

Τα πειράματα εκτελέσθηκαν με τη βοήθεια ενός ρωσικού κυκλοτρόνιου στην πόλη Dubna για να στείλουν άτομα ασβεστίου, με 20 πρωτόνια, πάνω σε έναν στόχο από άτομα καλιφορνίου, με 98 πρωτόνια. Ο στόχος τους ήταν να ενωθούν οι πυρήνες τους και να φτιάξουν το στοιχείο 118. Έπειτα από 0,9 χιλιοστά του δευτερολέπτου, το 118 διασπάστηκε στο στοιχείο 114, μετά στο στοιχείο 112 (έγιναν δηλαδή 2 διασπάσεις άλφα) και τελικά χωρίστηκε στη μέση με σχάση. Και αφού η ερευνητική ομάδα παρατήρησε την αλυσίδα της διάσπασης άλφα σημαίνει ότι υπήρχε στην αρχή το στοιχείο 118.  Όμως τα δύο άτομα (ασβεστίου και καλιφορνίου) συγκολλήθηκαν σε εξαιρετικά σπάνιες περιπτώσεις. Έτσι, σε 30 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων βομβαρδισμούς, οι ανιχνευτές διαπίστωσαν ότι δύο σύνολα πρωτονίων βρέθηκαν μαζί για να παραγάγουν το στοιχείο 118. 

Πηγή: physics4u, physicsweb, Discovery