Eπιστήμονες δημιουργούν “σχισμές χρόνου” σε ένα εκπληκτικό πείραμα φυσικής

Επιστήμονες έδειξαν ότι μπορούν να στείλουν το φως μέσα από “σχισμές” χρόνου.

Το νέο αυτό πείραμα αποτελεί μια διαφορετική εκδοχή της ιστορικής (220 ετών) επίδειξης, κατά την οποία το φως που περνά μέσα από δύο σχισμές, δημιουργεί ένα μοναδικό χωρικό μοτίβο συμβολής, όπου οι κορυφές και οι κοιλίες των φωτεινών κυμάτων αλληλοενισχύονται η αλληλοεξουδετερώνονται. Στο νέο πείραμα, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα παρόμοιο μοτίβο -αυτή τη φορά στον χρόνο, όχι στον χώρο- στην ουσία μεταβάλλοντος το χρώμα ενός εξαιρετικά σύντομου παλμού λέιζερ.

Τα ευρήματα ανοίγουν το δρόμο για την εξέλιξη των αναλογικών υπολογιστών, οι οποίοι διαχειρίζονται δεδομένα μέσω δεσμών φωτός αντί των γνωστών ψηφιακών bits – ίσως μπορέσουν, ακόμα, να κάνουν αυτού του είδους τους υπολογιστές να “μάθουν” από τα δεδομένα. Επιπλέον, εμβαθύνουν την κατανόησή μας για την θεμελιώδη φύση του φωτός και τις αλληλεπιδράσεις του με τα υλικά.

Για τη νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε αυτόν τον Απρίλιο στο επιστημονικό περιοδικό “Nature Physics”, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν οξείδιο ινδίου κασσίτερου (ITO), ένα υλικό που βρίσκεται στις οθόνες των περισσότερων κινητών τηλεφώνων. Οι επιστήμονες γνώριζαν ήδη ότι το ITO μπορούσε -ως απόκριση στην παρουσία φωτός- να μεταβληθεί από διαφανές υλικό σε ανακλαστικό, οι ερευνητές όμως διαπίστωσαν ότι αυτό συμβαίνει πολύ πιο γρήγορα απ’ όσο πιστεύαμε έως τώρα· σε λιγότερο από 10 femtoseconds (10 εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου).

«Αυτή ήταν μια ιδιαίτερα μεγάλη έκπληξη και στην αρχή ήταν κάτι που δεν μπορούσαμε να εξηγήσουμε», δηλώνει ο επικεφαλής της μελέτης Riccardo Sapienza, φυσικός στο Imperial College του Λονδίνου. Εξετάζοντας ενδελεχώς την θεωρία σχετικά με το πώς τα ηλεκτρόνια στο ITO αντιδρούν στο προσπίπτον φως, οι ερευνητές κατάφεραν τελικά να καταλάβουν γιατί η ταχύτητα της αντίδρασης ήταν τόσο μεγάλη. «Μας πήρε, όμως, πολύ χρόνο για να το καταλάβουμε».

Ο χρόνος παίρνει την θέση του χώρου
Ο Thomas Young απέδειξε για πρώτη φορά την κυματική φύση του φωτός, εκτελώντας το κλασικό -πλέον- πείραμα της “διπλής σχισμής”, το 1801. Καθώς το φως περνάει μέσα από τις δύο σχισμές ενός πετάσματος, τα κύματα εκπέμπονται προς διαφορετικές κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα αυτά που περνούν από τη μία σχισμή να αλληλεπικαλύπτονται με αυτά που περνούν από την άλλη. Οι κορυφές και οι κοιλίες των κυμάτων αυτών, είτε αθροίζονται είτε ακυρώνονται, δημιουργώντας φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς· δηλαδή ένα μοτίβο συμβολής.

Στη νέα μελέτη, ο Sapienza και οι συνεργάτες του δημιούργησαν ένα τέτοιο μοτίβο συμβολής στον χρόνο, εκπέμποντας έναν παλμό λέιζερ ως “αντλία” (δηλαδή για μεταφορά ενέργειας, ή αλλιώς “optical pumping”, στα ηλεκτρόνια του υλικού) σε μια οθόνη που είχε επικαλυφθεί με ITO. Το ITO αρχικά ήταν διαφανές, όμως το φως από το λέιζερ μετέβαλε τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων μέσα στο υλικό, με αποτέλεσμα αυτό στη συνέχεια να ανακλά το φως όπως ένα κάτοπτρο. Έτσι, μία ακόλουθη δέσμη λέιζερ “ανιχνευτής”, θα έβλεπε αυτή την προσωρινή αλλαγή στις οπτικές ιδιότητες ως μια σχισμή στο χρόνο, με “μήκος” μόλις μερικές εκατοντάδες φεμτοδευτερόλεπτα. Η χρήση ενός δεύτερου παλμού λέιζερ “αντλίας” έκανε το υλικό να συμπεριφέρεται σαν να διέθετε δύο χρονικές σχισμές, ένα ανάλογο της περίπτωσης όπου το φως διέρχεται μέσα από δύο χωρικές σχισμές.

Και ενώ η διέλευση μέσα από συμβατικές χωρικές σχισμές οδηγεί σε αλλαγές κατεύθυνσης και “άπλωμα” στον χώρο, του φωτός, το πέρασμα μέσα από αυτή την διπλή “χρονική σχισμή” προκαλεί μεταβολές όσον αφορά στη συχνότητα, η οποία είναι αντιστρόφως ανάλογη του μήκους κύματός του. Το μήκος κύματος του ορατού φωτός, είναι αυτό που καθορίζει το χρώμα του.

Στο νέο πείραμα, το μοτίβο συμβολής εμφανίστηκε ως μία σειρά κροσσών, μία σειρά από πρόσθετες κορυφές στο φάσμα συχνοτήτων· το γράφημα της μετρούμενης έντασης του φωτός σε διαφορετικές συχνότητες. Όπως ακριβώς, η μεταβολή της απόστασης μεταξύ των χωρικών σχισμών αλλάζει το μοτίβο συμβολής που προκύπτει, έτσι η υστέρηση μεταξύ των χρονικών σχισμών υπαγορεύει τις αποστάσεις των κροσσών συμβολής στα φάσματα συχνοτήτων. Και ο αριθμός των κροσσών σε αυτά τα μοτίβα παρεμβολής που είναι ορατοί, προτού το πλάτος τους μειωθεί στο επίπεδο του θορύβου υποβάθρου, μας αποκαλύπτει το πόσο γρήγορα μεταβάλλονται οι ιδιότητες του ITO· υλικά με βραδύτερες αποκρίσεις παράγουν λιγότερους ανιχνεύσιμους κροσσούς συμβολής.

Δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες βρήκαν πώς να χειρίζονται το φως στο χρόνο, αντί στον χώρο. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες της Google ισχυρίζονται ότι ο κβαντικός τους υπολογιστής, ο “Sycamore”, δημιούργησε έναν χρονοκρύσταλλο, μια νέα φάση της ύλης, που μεταβάλλεται περιοδικά στο χρόνο, κάτι αντίστοιχο με τα άτομα που διατάσσονται στον χώρο βάσει περιοδικών μοτίβων.

Ο Andrea Alù, ένας φυσικός στο “The City University of New York” που δεν συμμετείχε σε αυτή τη μελέτη (έχει όμως εκτελέσει άλλα πειράματα στα οποία δημιουργήθηκαν ανακλάσεις φωτός στο χρόνο), περιέγραψε το πείραμα ως μια ακόμη “ξεκάθαρη επίδειξη” του ότι ο χρόνος και ο χώρος μπορούν να είναι εναλλάξιμοι.

«Η πλέον αξιοσημείωτη πτυχή του πειράματος είναι ότι δείχνει πώς μπορούμε να μεταβάλλουμε την διαπερατότητα (η οποία καθορίζει το κατά πόσο ένα υλικό διαδίδει ή αντανακλά το φως) αυτού του υλικού (ITO) πολύ γρήγορα και σε σημαντικό βαθμό», δηλώνει ο Alù. «Αυτό επιβεβαιώνει ότι το συγκεκριμένο υλικό αποτελεί ιδανικό υποψήφιο για επίδειξη χρονικών ανακλάσεων και χρονοκρυστάλλων».

Οι ερευνητές ελπίζουν πως θα μπορέσουν να χρησιμοποιήσουν τα φαινόμενα αυτά για να δημιουργήσουν μεταϋλικά, σχεδιασμένα έτσι ώστε να αλλάζουν την πορεία του φωτός με συγκεκριμένους και συχνά σύνθετους τρόπους.

Μέχρι σήμερα, αυτά τα μεταϋλικά είναι στατικά, κάτι που σημαίνει ότι για να αλλάξει ο τρόπος με τον οποίο το μεταϋλικό επηρεάζει τη διαδρομή του φωτός, απαιτείται η χρήση μιας εντελώς νέας δομής μεταϋλικού – ένας νέος αναλογικός υπολογιστής για κάθε διαφορετικό τύπο υπολογισμού, για παράδειγμα, εξηγεί ο Sapienza.

«Τώρα έχουμε ένα υλικό που μπορούμε να το αναδιαμορφώνουμε, κάτι που σημαίνει ότι μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για περισσότερους από έναν σκοπούς», λέει ο ίδιος, προσθέτοντας ότι μια τέτοια τεχνολογία θα μπορούσε να επιτρέψει την εκτέλεση νευρομορφικής υπολογιστικής, η οποία μιμείται τον εγκέφαλο.

Παραπομπές: Double-slit time diffraction at optical frequencies

Πηγή: pop-sci.gr με πληροφορίες από livescience.com

primenews.press