Η συσκευή νανοκλίμακας κάνει το φως να ταξιδεύει απείρως γρήγορο

Μέσα σε μια συσκευή κλίμακας νανομέτρων, το ορατό φως ταξιδεύει απείρως γρήγορα —κατά ένα μέτρο— αναφέρει μια ομάδα φυσικών και μηχανικών. Το gizmo δεν θα οδηγήσει σε στιγμιαία επικοινωνία -το περίφημο όριο ταχύτητας της θεωρίας της σχετικότητας του Albert Einstein παραμένει σε ισχύ- αλλά θα μπορούσε να έχει ποικίλες χρήσεις, συμπεριλαμβανομένου του να χρησιμεύσει ως στοιχείο σε έναν τύπο οπτικού κυκλώματος.

«Η επίδειξη ενός τέτοιου πράγματος είναι σίγουρα πολύ ενδιαφέρουσα και πιθανώς χρήσιμη», λέει ο Wenshan Cai, ηλεκτρολόγος μηχανικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.

Στον κενό χώρο, το φως ταξιδεύει πάντα με 300.000.000 μέτρα το δευτερόλεπτο. Σε ένα υλικό όπως το γυαλί, ταξιδεύει πιο αργά. Ο λόγος της ταχύτητας του φωτός στο κενό προς την ταχύτητά του σε ένα υλικό ορίζει τον «δείκτη διάθλασης» του υλικού, ο οποίος είναι συνήθως μεγαλύτερος από ένα. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να χειρίζονται τις αλληλεπιδράσεις φωτός και ύλης για να συντονίζουν τον δείκτη διάθλασης με περίεργους τρόπους, όπως να τον κάνουν αρνητικό, κάτι που οδηγεί σε μια ασυνήθιστη κάμψη του φωτός.

Τώρα, ο Albert Polman, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Ατομικής και Μοριακής Φυσικής FOM στο Άμστερνταμ. Nader Engheta, ηλεκτρολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. και οι συνάδελφοι έχουν καταφέρει ένα ιδιαίτερα περίεργο κατόρθωμα. Έχουν αναπτύξει μια μικροσκοπική συσκευή στην οποία ο δείκτης διάθλασης για το ορατό φως είναι μηδέν – έτσι ώστε τα κύματα φωτός συγκεκριμένου μήκους κύματος να κινούνται απείρως γρήγορα.

Η συσκευή αποτελείται από μια ορθογώνια ράβδο μονωτικής διοξειδίου του πυριτίου πάχους 85 νανόμετρων και μήκους 2000 νανόμετρων που περιβάλλεται από αγώγιμο ασήμι, το οποίο το φως γενικά δεν διαπερνά. Το αποτέλεσμα είναι ένας θάλαμος μεταφοράς φωτός που ονομάζεται κυματοδηγός. Οι ερευνητές κατασκεύασαν διαφορετικές συσκευές στις οποίες το πλάτος του διοξειδίου του πυριτίου κυμαινόταν από 120 έως 400 νανόμετρα, όπως αναφέρουν σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters .

Το φως συμπεριφέρεται διαφορετικά σε έναν τέτοιο κυματοδηγό, επειδή τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία πρέπει να υπακούουν σε ορισμένες «οριακές συνθήκες» στις πλευρές της συσκευής. Το φως μικρού μήκους κύματος αναπηδά εμπρός και πίσω μεταξύ των άκρων του οδηγού και οι κορυφές και τα κατώτατα σημεία των κυμάτων φωτός που διαδίδονται αντίθετα επικαλύπτονται για να δημιουργήσουν ένα μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών ζωνών, όπως τα μοτίβα πίεσης με έναν σωλήνα κουδουνίσματος οργάνων. Πάνω από ένα μήκος κύματος "αποκοπής", το φως δεν ρέει καθόλου.

Ακριβώς στο μήκος κύματος αποκοπής, τα πράγματα γίνονται ενδιαφέροντα. Αντί να δημιουργείται ένα μοτίβο ζωνών, ολόκληρος ο κυματοδηγός ανάβει. Αυτό σημαίνει ότι αντί να ενεργεί ως κύματα με ίσες κορυφές ή «μέτωπα φάσεων», το κύμα συμπεριφέρεται σαν οι κορυφές του να κινούνται απείρως γρήγορα και να βρίσκονται παντού ταυτόχρονα. Έτσι το φως ταλαντώνεται συγχρονικά κατά μήκος του κυματοδηγού.

Η Engheta και η εταιρεία είχαν δημιουργήσει προηγουμένως έναν δείκτη διάθλασης μηδέν για ακτινοβολία μεγαλύτερου μήκους κύματος που ονομάζεται μικροκύματα. Η επανάληψη του άθλου για το ορατό φως ήταν πιο δύσκολη, καθώς το νέο widget είναι πολύ μικρό για να περιέχει μια πηγή φωτός. Αντίθετα, οι ερευνητές πυροβόλησαν σε μια δέσμη ηλεκτρονίων για να δημιουργήσουν φως όλων των μηκών κύματος μέσα στον κυματοδηγό και μέτρησαν το φως που διαρρέει από αυτόν. Η ποσότητα του φωτός που λάμπει σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος εξαρτάται από το αν η δέσμη ηλεκτρονίων εισέρχεται σε ένα σημείο όπου θα έπρεπε να υπάρχει ένα σκοτεινό ή ένα φωτεινό σημείο για αυτό το μήκος κύματος. Έτσι, σαρώνοντας τη δέσμη κατά μήκος του κυματοδηγού και παρακολουθώντας την έξοδο, οι ερευνητές εντόπισαν το μοτίβο φωτός σε κάθε μήκος κύματος. «Είναι νανοκατασκευή και χαρακτηρισμός στα καλύτερά της», λέει ο Che Ting Chan, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ.

Πώς λοιπόν ένα φωτεινό κύμα παντού ταυτόχρονα δεν παραβιάζει τη σχετικότητα; Το φως έχει δύο ταχύτητες, εξηγεί η Engheta. Η "ταχύτητα φάσης" περιγράφει πόσο γρήγορα κινούνται τα κύματα ενός δεδομένου μήκους κύματος και η "ταχύτητα ομάδας" περιγράφει πόσο γρήγορα το φως μεταφέρει ενέργεια ή πληροφορίες. Μόνο η ομαδική ταχύτητα πρέπει να παραμείνει κάτω από την ταχύτητα του φωτός στο κενό, λέει ο Engheta, και μέσα στον κυματοδηγό, συμβαίνει.

Η συσκευή θα μπορούσε να έχει διάφορες χρήσεις, λέει ο Engheta. Επειδή το φως που διαρρέει από τον κυματοδηγό είναι συγχρονισμένο, ο κυματοδηγός μπορεί να λυγίσει για να σχηματίσει μια κεραία που εκπέμπει κύμα φωτός με γλυπτά μέτωπα φάσης, λέει. Θα μπορούσε επίσης να δημιουργήσει έναν αγωγό για έναν ελπιδοφόρο τύπο οπτικού κυκλώματος νανοκλίμακας, λέει.

Μια συστοιχία τέτοιων κυματοδηγών μπορεί ακόμη και να δημιουργήσει ένα χύμα υλικό με μηδενικό δείκτη διάθλασης. Αλλά η κατασκευή αυτού του πίνακα θα ήταν πολύ προκλητική, ο Cai λέει:«Θεωρητικά είναι εύκολο· πειραματικά είναι πολύ σκληρό."