Μια αναπάντεχη ανακάλυψη έρχεται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες κατανοούν το φως.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ανατολικής Αγγλίας και τη Νότια Αφρική διαπίστωσαν ότι, όταν μια δέσμη φωτός είναι κατάλληλα δομημένη, μπορεί να αναπτύξει από μόνη της αριστερόστροφα και δεξιόστροφα περιστροφικά μοτίβα καθώς ταξιδεύει στο κενό, χωρίς να χρειάζεται ειδικούς φακούς, κάτοπτρα ή άλλα υλικά.
Επιστήμονες ανακάλυψαν μια εκπληκτική ικανότητα του φωτός που του επιτρέπει να αναπτύσσει περιστροφικά μοτίβα καθώς κινείται στο κενό διάστημα, χωρίς να βασίζεται σε ειδικούς φακούς, κάτοπτρα ή υλικά. Το εύρημα αποκαλύπτει ότι το φως διαθέτει μια κρυφή γεωμετρική δομή, η οποία μπορεί να επηρεάσει τη συμπεριφορά του με τρόπους που οι ερευνητές πίστευαν προηγουμένως ότι ήταν εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθούν.
Η ανακάλυψη προέρχεται από μια διεθνή ομάδα με επικεφαλής ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ανατολικής Αγγλίας (University of East Anglia – UEA) στο Ηνωμένο Βασίλειο, σε συνεργασία με επιστήμονες στη Νότια Αφρική.
Τα πειράματά τους αποδεικνύουν ότι το κατάλληλα προετοιμασμένο φως μπορεί να ελεγχθεί μέσω της ίδιας της εσωτερικής του γεωμετρίας, προσφέροντας μια νέα προσέγγιση στον χειρισμό του τρόπου με τον οποίο το φως περιστρέφεται και συστρέφεται.
Τα ευρήματα αυτά αμφισβητούν παγιωμένες υποθέσεις σχετικά με τον τρόπο αλληλεπίδρασης των διαφορετικών ιδιοτήτων του φωτός. Θα μπορούσαν τελικά να οδηγήσουν σε πιο ευαίσθητες ιατρικές εξετάσεις, ταχύτερες και πιο ασφαλείς επικοινωνίες, καθώς και σε προηγμένες κβαντικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν το φως για τη μετάδοση και την προστασία πληροφοριών.
Η κρίσιμη σημασία της “χειρομορφίας” του φωτός
Μία από τις πιο συναρπαστικές πτυχές της ανακάλυψης αφορά τη χειρομορφία (chirality), έναν επιστημονικό όρο που περιγράφει τη διαφορά μεταξύ αριστερόστροφων και δεξιόστροφων δομών. Τα ανθρώπινα χέρια αποτελούν ένα οικείο παράδειγμα.
Παρόλο που είναι καθρεπτικά είδωλα το ένα του άλλου, ένα αριστερό χέρι δεν μπορεί να τοποθετηθεί έτσι ώστε να συμπέσει τέλεια πάνω σε ένα δεξί χέρι. Πολλά μόρια έχουν παρόμοια ιδιότητα, συμπεριλαμβανομένων χημικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται στα φάρμακα. Δύο εκδοχές του ίδιου μορίου μπορούν να έχουν σχεδόν πανομοιότυπη χημική δομή, αλλά να προκαλούν πολύ διαφορετικά αποτελέσματα στο σώμα.
Οι επιστήμονες μπορούν να διακρίνουν αυτές τις μοριακές μορφές μελετώντας τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν με το φως που παρουσιάζει μια συγκεκριμένη περιστροφική συμπεριφορά. Παραδοσιακά, η παραγωγή και ο έλεγχος τέτοιου φωτός απαιτούσε συχνά εξειδικευμένα υλικά, προσεκτικά σχεδιασμένες επιφάνειες ή ισχυρούς φακούς που εστιάζουν τις δέσμες εξαιρετικά στενά.
Η έρευνα αποδεικνύει ότι το κατάλληλα προετοιμασμένο φως μπορεί να αναπτύξει αυτή τη συμπεριφορά φυσικά καθώς ταξιδεύει, χωρίς να απαιτούνται αυτά τα πρόσθετα οπτικά εξαρτήματα.
«Η εργασία μας δείχνει ότι το φως μπορεί φυσικά να αναπτύξει αυτή την αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη συμπεριφορά εντελώς από μόνο του», δήλωσε ο Δρ. Kayn Forbes από τη Σχολή Χημείας, Φαρμακευτικής και Φαρμακολογίας του UEA.
«Απλώς πρέπει να το προετοιμάσεις με τον σωστό τρόπο. Οι περισσότεροι άνθρωποι φαντάζονται το φως να ταξιδεύει σε ευθείες γραμμές. Ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούν επίσης να δημιουργήσουν δομημένο φως (structured light) — φως του οποίου η φωτεινότητα, το σχήμα και η κατεύθυνση είναι προσεκτικά διατεταγμένα. Ένα ακραίο παράδειγμα είναι το φως που συστρέφεται καθώς ταξιδεύει, σχηματίζοντας ένα σχήμα σαν τιρμπουσόν, το οποίο είναι γνωστό ως οπτική δίνη (optical vortex). Κάθε στροφή μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες, καθιστώντας αυτού του είδους το φως πολύτιμο για το Ίντερνετ υψηλών ταχυτήτων, τις ασφαλείς επικοινωνίες και τους προηγμένους αισθητήρες. Το φως μπορεί επίσης να περιστρέφεται καθώς ταξιδεύει, ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο είναι πολωμένο. Αυτή η περιστροφή (spin) μπορεί να είναι αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη — μια άλλη μορφή χειρομορφίας».
Αποκωδικοποιώντας το μυστικό: Πώς γεννιέται η αυθόρμητη περιστροφή του φωτός
Το φως μπορεί να παρουσιάσει διαφορετικά είδη περιστροφικής συμπεριφοράς. Μια οπτική δίνη, για παράδειγμα, έχει ένα κυματικό μοτίβο που συστρέφεται γύρω από την κατεύθυνση της κίνησής του, μοιάζοντας πολύ με τιρμπουσόν. Το φως διαθέτει επίσης μια ιδιότητα γνωστή ως πόλωση, η οποία περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο ταλαντώνεται το ηλεκτρικό του πεδίο. Ορισμένα μοτίβα πόλωσης παράγουν μια μορφή περιστροφής που ονομάζεται spin.
Οι φυσικοί μελετούν εδώ και καιρό τη σχέση μεταξύ αυτών των δύο ιδιοτήτων. Ωστόσο, οι αλληλεπιδράσεις που ευθύνονται για το φαινόμενο που παρατηρήθηκε πρόσφατα θεωρούνταν γενικά εξαιρετικά ασθενείς και δύσκολο να ανιχνευθούν χωρίς εξειδικευμένες πειραματικές συνθήκες. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κατάσταση αλλάζει όταν μια δέσμη φωτός προετοιμάζεται σε μια συγκεκριμένη, ισορροπημένη διάταξη.
«Υπό αυτές τις συνθήκες, η δέσμη μπορεί αρχικά να μην έχει καθόλου spin, ωστόσο ξεχωριστές περιοχές με περιστροφική συμπεριφορά αναδύονται καθώς αυτή ταξιδεύει στο ελεύθερο διάστημα. Το φαινόμενο αυτό δεν απαιτεί το φως να περάσει μέσα από κατασκευασμένα υλικά ή πρόσθετες οπτικές συσκευές. Ξεκινάει χωρίς καθόλου spin», εξήγησε ο μεταπτυχιακός φοιτητής Light Mkhumbuza, ο οποίος πραγματοποίησε βασικά πειράματα. «Αλλά καθώς η δέσμη ταξιδεύει προς τα εμπρός, εμφανίζονται περιοχές περιστροφής και διαχωρίζονται — σχεδόν σαν το spin να κρυβόταν και στη συνέχεια να αποκαλύφθηκε».
Αντί να δημιουργήσουν spin μέσω ενός εξωτερικού οπτικού εξαρτήματος, οι ερευνητές απέδειξαν πώς η υπάρχουσα εσωτερική δομή της δέσμης μπορεί να καθορίσει πού αναπτύσσονται οι περιοχές περιστροφής κατά τη διάρκεια της διάδοσής της.
Μαθηματικά μυστικά: Η εσωτερική γεωμετρία που καθορίζει τη συμπεριφορά του φωτός
Για να εξηγήσουν αυτή την απροσδόκητη συμπεριφορά, οι ερευνητές στράφηκαν στην τοπολογία—έναν μαθηματικό κλάδο που ασχολείται με τις ιδιότητες που παραμένουν αμετάβλητες όταν τα αντικείμενα τεντώνονται, λυγίζουν ή αναδιαμορφώνονται συνεχώς, χωρίς να κόβονται.
Ο Δρ. Isaac Nape, από το Πανεπιστήμιο του Witwatersrand στο Γιοχάνεσμπουργκ της Νότιας Αφρικής, προσέφερε έναν απλό τρόπο για να γίνει κατανοητή αυτή η έννοια. «Για να το εξηγήσουμε, φανταστείτε μια κούπα και ένα ντόνατ», δήλωσε. «Μπορείτε να μεταμορφώσετε το ένα στο άλλο χωρίς να το σκίσετε, επειδή και τα δύο έχουν μία τρύπα. Αυτή η τρύπα είναι ένα τοπολογικό χαρακτηριστικό».
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το δομημένο φως διαθέτει τα δικά του τοπολογικά χαρακτηριστικά, τα οποία είναι κωδικοποιημένα στη διάταξη της πόλωσής του. Αυτό το υποκείμενο μοτίβο λειτουργεί σαν ένα μαθηματικό αποτύπωμα. Ακόμη και όταν η δέσμη φωτός αλλάζει σχήμα κατά τη διάρκεια του ταξιδιού της, η τοπολογική της δομή παραμένει, επηρεάζοντας τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι διάφορες περιοχές της δέσμης.
Ως αποτέλεσμα, η ίδια η διάταξη του φωτός μπορεί να καθορίσει πού θα γίνουν ορατά τα αριστερόστροφα και δεξιόστροφα περιστροφικά μοτίβα του.Η ανακάλυψη αυτή προσφέρει στους επιστήμονες έναν τρόπο να καθοδηγούν αυτή τη συμπεριφορά σχεδιάζοντας την αρχική δομή της δέσμης, αντί να εξαρτώνται από εξειδικευμένα υλικά για την παραγωγή του επιθυμητού αποτελέσματος.
«Αυτό μας δίνει ένα εντελώς νέο κουμπί ρύθμισης για το φως. Προσαρμόζοντας την τοπολογία του, μπορούμε να αποφασίσουμε πώς και πού θα εμφανιστεί η χειρομορφία», δήλωσε ο Δρ. Nape.
Από τα εργαστήρια στην καθημερινότητα: Οι τεχνολογικές ανατροπές που φέρνει το φως
Η ικανότητα ελέγχου του φωτός μέσω της γεωμετρίας του θα μπορούσε τελικά να καταστήσει αρκετές σημαντικές οπτικές τεχνολογίες πιο απλές, πιο προσιτές οικονομικά και πιο ευέλικτες. Μια ιδιαίτερα πολλά υποσχόμενη εφαρμογή αφορά την ιατρική διάγνωση και τη φαρμακευτική έρευνα.
Επειδή πολλά βιολογικά σημαντικά μόρια έχουν αριστερόστροφες και δεξιόστροφες μορφές, το κατάλληλα δομημένο φως θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν αυτές τις διαφορές με μεγαλύτερη ευαισθησία. Τέτοια εργαλεία θα ήταν πολύτιμα για την αξιολόγηση της ασφάλειας των φαρμάκων και την ανίχνευση βιολογικών δεικτών που σχετίζονται με ασθένειες.
Οι ίδιες αρχές θα μπορούσαν να υποστηρίξουν μικρότερους οπτικούς αισθητήρες, ικανούς να ταυτοποιούν χημικές ή βιολογικές ουσίες χωρίς να απαιτούνται μεγάλα και περίπλοκα εργαστηριακά όργανα. Η τεχνολογία των επικοινωνιών θα μπορούσε επίσης να ωφεληθεί.
Κωδικοποιώντας πληροφορίες σε διαφορετικά μοτίβα συστροφής και περιστροφής, οι ερευνητές ενδέχεται να είναι σε θέση να αυξήσουν την ποσότητα των δεδομένων που μεταφέρουν οι μεμονωμένες δέσμες φωτός. Αυτό θα μπορούσε να συμβάλει σε ταχύτερες οπτικές επικοινωνίες, βελτιωμένη ασφάλεια πληροφοριών και στα μελλοντικά κβαντικά δίκτυα.
Άλλες πιθανές χρήσεις περιλαμβάνουν τον χειρισμό μικροσκοπικών σωματιδίων, κυττάρων και μορίων με τη χρήση φωτός, καθώς και την ανάπτυξη πιο ανθεκτικών κβαντικών συστημάτων. Οι τοπολογικές ιδιότητες ενδέχεται να βοηθήσουν στην προστασία των ευαίσθητων κβαντικών πληροφοριών από ορισμένες μορφές θορύβου και παρεμβολών».
Οι επιπτώσεις είναι ευρείες, δήλωσε ο Δρ. Forbes. «Αυτή η εργασία θα μπορούσε να οδηγήσει σε απλούστερες και πιο ευαίσθητες ιατρικές εξετάσεις, ιδιαίτερα στην ανάπτυξη φαρμάκων.
Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη συμπίεση περισσότερων πληροφοριών σε δέσμες λέιζερ — ενισχύοντας τη χωρητικότητα δεδομένων για τις επικοινωνίες, συμπεριλαμβανομένων των μελλοντικών κβαντικών δικτύων. Και επειδή το φαινόμενο δεν βασίζεται σε εύθραυστα υλικά ή σε επιφάνειες κατασκευασμένες με ακρίβεια, θα μπορούσε να είναι ευκολότερο και φθηνότερο στη χρήση του σε τεχνολογίες του πραγματικού κόσμου. Αυτή η έρευνα θα μπορούσε να θέσει τα θεμέλια για μια νέα γενιά τεχνολογιών που βασίζονται στο φως, δείχνοντας ότι η συμπεριφορά του φωτός μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας την ίδια του την εσωτερική γεωμετρία», πρόσθεσε.
Αυτές οι εφαρμογές παραμένουν πιθανότητες για μελλοντική ανάπτυξη, όμως η υποκείμενη ανακάλυψη παρέχει στους ερευνητές έναν ακόμη τρόπο να σχεδιάζουν και να ελέγχουν τη συμπεριφορά του φωτός.
Μια κρυφή ιδιότητα του φωτός επιτέλους αποκαλύπτεται
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες βασίζονταν σε όλο και πιο εξελιγμένο οπτικό εξοπλισμό για να παράγουν και να χειρίζονται ασυνήθιστες μορφές φωτός. Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι ορισμένες από αυτές τις συμπεριφορές μπορούν, αντίθετα, να προκύψουν από προσεκτικά σχεδιασμένες δομές που είναι ήδη κωδικοποιημένες μέσα σε μια δέσμη φωτός.
Δείχνοντας πώς η τοπολογία καθορίζει την ανάδυση περιοχών περιστροφής κατά τη διάρκεια της διάδοσης, η ομάδα αποκάλυψε μια σύνδεση μεταξύ της γεωμετρίας του φωτός και της φυσικής του συμπεριφοράς, η οποία μέχρι πρότινος δεν είχε εκτιμηθεί επαρκώς.
Η ανακάλυψη καταδεικνύει επίσης πόσα πολλά μένει ακόμη να μάθουμε για κάτι τόσο οικείο και εκτενώς μελετημένο όσο το φως. «Για κάτι τόσο οικείο, το φως αποδεικνύεται πολύ πιο πλούσιο, πιο παράξενο και πιο ισχυρό από ό,τι φανταζόταν κανείς», δήλωσε ο Δρ. Forbes. «Και παραδόξως, αυτή η νέα συμπεριφορά βρισκόταν εκεί ανέκαθεν — απλώς περίμενε να την ανακαλύψουμε».
Η έρευνα, με τίτλο “Topological Control of Chirality and Spin with Structured Light“, δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Light: Science & Applications.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου