Αιχμαλωτίζοντας το φως!

Στις επερχόμενες εκλογές Τοπικής Αυτοδιοίκησης ο αγρότης Μήτσος δήλωσε ορθά κοφτά στον μέχρι τούδε δήμαρχο ότι δεν πρόκειται να τον ξαναψηφίσει. Είναι εξοργισμένος, λέει, γιατί «ενώ έσκαψαν ούλο το δρόμο για να βάλουν οπτική ίνα, το «Γκέιμ οφ Θρόουνς» συνεχίζει να κατεβαίν’ με λόξιγκα».

Ο δήμαρχος δεν είχε βέβαια τις τεχνικές γνώσεις για να του απαντήσει. Αν τις είχε, ίσως του έλεγε ότι «ένα παγκόσμιο δίκτυο οπτικών ινών αποτελεί τη ραχοκοκαλιά του Διαδικτύου, όπου τα δεδομένα κυκλοφορούν με τη μορφή αστραπιαίων φωτεινών παλμών. Αλλά για τη ρύθμιση της κυκλοφορίας σε όλες τις διασταυρώσεις των οπτικών ινών χρησιμοποιούμε ακόμη τροχονόμους ηλεκτρονικούς. Δηλαδή φθάνοντας σε μια διασταύρωση ο κάθε φωτεινός παλμός μετατρέπεται σε ηλεκτρικό παλμό και ξαναμετατρέπεται σε φωτεινό παλμό μόνον όταν του δοθεί σήμα ελεύθερης διέλευσης. Η όλη διαδικασία απανωτών μετατροπών μειώνει την ταχύτητα των δεδομένων ως και 1.000 φορές. Αν σε αυτό προσθέσεις το ότι οι φωτεινοί παλμοί ξαναμετατρέπονται σε ηλεκτρικούς στο σημείο σύνδεσης της οπτικής ίνας με το χάλκινο καλώδιο που φτάνει στο σπίτι σου… να ο λόξιγκας».

Για τους τακτικούς αναγνώστες του BHMAscience το ζήτημα του ελέγχου του φωτός δεν είναι πρωτόγνωρο. Εχουμε μάλιστα αναφερθεί στη σημαντική συμβολή κορυφαίων ελλήνων ερευνητών στην ανάπτυξη του αντίστοιχου νέου κλάδου της οπτοηλεκτρονικής, της πλασμονικής (Γιάννης Ιωαννόπουλος, Λευτέρης Οικονόμου, Κώστας Σουκούλης, Μιχάλης Σιγάλας, Γιώργος Ελευθεριάδης, Δημήτρης Αγγελάκης…). Πρόκειται για το μέγα στοίχημα μετεξέλιξης των ηλεκτρονικών υποδομών μας σε φωτονικές, όπου στη θέση των ηλεκτρονίων θα έχουμε φωτόνια.

Ο λόγος που επιθυμούμε διακαώς κάτι τέτοιο είναι εξαιρετικά απλός: Το φως ταξιδεύει με τη μεγαλύτερη ταχύτητα στο Σύμπαν: σχεδόν 300 εκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο εν κενώ ή 20 ταξίδια μετ’ επιστροφής Γη-Σελήνη ανά δευτερόλεπτο. Αν μπορούσαμε να το χειριστούμε υπολογιστικά –άρα να ελέγχουμε πλήρως την ταχύτητά του, να το ανακατευθύνουμε και να το αναβοσβήνουμε κατά βούληση -, θα μπορούσαμε να αποκτήσουμε κυκλώματα, συσκευές και υπολογιστές που θα επεξεργάζονταν δεδομένα με ασύλληπτες ταχύτητες. Αλλά για να καταφέρεις κάτι τέτοιο πρέπει να βρεις πρώτα τον τρόπο να «φρενάρεις» το φως.

Ο πρώτος που σχεδίασε «φωτοφρένα» ήταν ο Ρώσος Βίκτορ Βεσελάγκο το 1967: Πρότεινε τη δημιουργία σύνθετων υλικών που θα παρείχαν αρνητικό δείκτη διάθλασης, ώστε το φως που θα έπεφτε πάνω τους να… γύριζε προς τα πίσω. Αυτά τα υλικά έγιναν πραγματικότητα το 2001, με την εργασία της ερευνητικής ομάδας του Ντέιβιντ Σμιθ, στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο. Ονομάστηκαν «μεταϋλικά» (metamaterials) και έγιναν το αντικείμενο του νέου κλάδου της πλασμονικής.

Την ίδια εκείνη χρονιά (2001) οι φυσικοί κατάφεραν να σταματήσουν τελείως το φως μέσα σε μεταϋλικό, αλλά μόλις για κλάσμα του δευτερολέπτου. Εκτοτε εκατοντάδες ερευνητές ανά τον κόσμο διαγωνίζονται στο ποιος θα φρενάρει περισσότερο το φως. Ωστόσο εγγενή προβλήματα στη δομή των μεταϋλικών δεν τους βοηθούσαν να πλησιάσουν αξιόπιστα τον στόχο. Η καλύτερη επίδοση σημειώθηκε το 2013, όταν ερευνητές του γερμανικού πανεπιστημίου του Darmstadt σταμάτησαν το φως παγιδεύοντάς το σε κρύσταλλο για ένα ολόκληρο λεπτό –αλλά μόνο αλλοιώνοντας κβαντικά τη σύστασή του.

Στην όλη αναζήτηση τρεις είναι οι κύριες σπαζοκεφαλιές που ταλανίζουν τους ερευνητές: Το αν η επιβράδυνση αγγίζει το πλήρες σταμάτημα των φωτονίων, το πόσο χρόνο μπορεί να διατηρηθεί το σταμάτημα και το αν είναι αυτό εφικτό υπό κανονικές συνθήκες (πίεση και θερμοκρασία δωματίου). Το να δοθεί ταυτόχρονη λύση και στις τρεις σπαζοκεφαλιές είχε αποδειχθεί ως τώρα ανέφικτο.

Ωστόσο το 2009, όταν ο Κοσμάς Τσακμακίδης παρουσίασε τη διδακτορική του διατριβή στο Πανεπιστήμιο του Surrey, οι πάντες έμειναν κατάπληκτοι από την προσέγγισή του στο ζήτημα: Ο συμπατριώτης μας σκέφθηκε τους κούφιους σωλήνες ορθογώνιας διατομής που χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές κεραίες για τη μετάδοση και διαδρόμηση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων –τους κυματοδηγούς (βλ. el.wikipedia.org/wiki/Κυματοδηγός).

Πρότεινε την κατασκευή κυματοδηγού από μεταϋλικό, που θα στένευε προοδευτικά. Από τη στιγμή που μια πολωμένη μαγνητικά μονοχρωματική (λευκή) φωτεινή ακτίνα θα έμπαινε στο πλατύ άκρο του κυματοδηγού θα άρχιζε να διαθλάται με αρνητικό δείκτη διάθλασης, άρα να φρενάρει προοδευτικά ώσπου να σταματήσει τελείως στο στενότερο άκρο του κυματοδηγού. Απλουστευτικά, το φως θα εξαναγκαζόταν να χορέψει «πυρρίχιο», προχωρώντας δύο βήματα μπροστά και ένα πίσω, ώσπου να παγώσει απότομα. Το προοδευτικό φρενάρισμα του φωτός σήμαινε ότι πρώτο θα σταματούσε στο ευρύ στόμιο το βραχύτερου μήκους κύμα του φωτεινού φάσματος (το μπλε χρώμα) και σταδιακά τα υπόλοιπα χρώματα, έως το μακρύτερου μήκους κύμα (το κόκκινο), που θα σταματούσε στο στενότερο άκρο. Δηλαδή ο Κοσμάς είχε σχεδιάσει μια «φωτοπαγίδα ουράνιου τόξου», που λειτουργούσε σε θερμοκρασία δωματίου.

Οταν μια δέσμη φωτός (λευκό στην εικόνα) φθάνει στην είσοδο της φωτοπαγίδας, τότε κάθε συχνότητα (χρώμα) της δέσμης σταματά σε διαφορετικό σημείο της διαδρομής, σχηματίζοντας ένα «αιχμαλωτισμένο ουράνιο τόξο»

Η διατριβή αυτή κέρδισε τον θαυμασμό του Διεθνούς Ινστιτούτου Φυσικών, που απένειμε σ’ αυτόν (έναν μηχανικό) το πρώτο του βραβείο, και χάρισε στον Κοσμά Τσακμακίδη την υποτροφία της Royal Academy of Engineering, που τον συνόδεψε ως το Imperial College. Επακολούθησε πλήθος επιστημονικών δημοσιεύσεων σε κορυφαία περιοδικά, όπως το Nature, το Science, το Nature Materials και το Physical Review Letters. Ομως το επιστέγασμα ήλθε εφέτος, στις 25 Απριλίου 2014, όταν δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters η εργασία του «Completely Stopped and Dispersionless Light in Plasmonic Waveguides» (βλ. http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.167401).

Σε αυτή την εργασία ο Τσακμακίδης και οι συνεργάτες του, υπό την εποπτεία του καθηγητή του διδακτορικού του, Ορτγουιν Χες, σχεδίασαν έναν κυματοδηγό φτιαγμένο από φύλλο πυριτίου πάχους 300 νανόμετρων, φυλακισμένο σε σάντουιτς δύο στρωμάτων οξειδίου ιριδίου και ψευδαργύρου (ΙΤΟ), πάχους 500 νανόμετρων. Το οξείδιο αυτό (ΙΤΟ) συμπεριφέρεται ως μεταϋλικό όταν πέφτει επάνω του υπέρυθρο φως συγκεκριμένης πόλωσης και το υποχρεώνει σε αρνητική διάθλαση. Ρυθμίζοντας τη γωνία πρόσπτωσης των φωτεινών παλμών, μπορεί να ελεγχθεί και το μήκος κύματος μέσα στον κυματοδηγό, ώστε να επιτευχθεί η τελική «μηδενική ταχύτητα του συνολικού φωτός». Κατά την προσομοίωση του πειράματος σε υπολογιστές η τελική αυτή ταχύτητα μετρήθηκε ως ένα «σημειωτόν» ελαχίστων πικόμετρων ανά 100×10^-15 δευτερόλεπτα (femtoseconds), δηλαδή μια επιβράδυνση της ταχύτητας του φωτός κατά 15 εκατομμύρια φορές.

Από πλευράς συνολικής χρονικής διάρκειας του «σημειωτόν», το φαινόμενο διήρκεσε μόλις 130 femtoseconds, λόγω απώλειας φωτονίων. Αυτό το χρονικό διάστημα είναι αρκετό για κάποιες νανοφωτονικές εφαρμογές, αλλά ο Κοσμάς επιμένει πως η επέκταση του διαστήματος είναι εφικτή με την προσθήκη ενός μέσου ενίσχυσης στον κυματοδηγό.

Για την ώρα ο Κοσμάς Τσακμακίδης έχει μεταναστεύσει στο Berkeley της Καλιφόρνιας, όπου στήνει την πειραματική υλοποίηση όσων σχεδίασε και όσων ονειρεύεται, όχι πλέον μέσω προσομοιώσεων αλλά με πραγματικές πλασμονικές διατάξεις. Στην επικοινωνία μας μαζί του μας είπε χαρακτηριστικά: «Αυτόν τον καιρό επιχειρούμε, στην ομάδα του Berkeley όπου εργάζομαι, να επαληθεύσουμε και πειραματικά τη θεωρητική μας ανακάλυψη, όσο το δυνατόν γρηγορότερα –ο ανταγωνισμός με παρόμοιες ερευνητικές ομάδες του τομέα είναι σφοδρός! Η μέθοδός μας επιτρέπει μια πολύ ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης. Συνεπώς ευελπιστούμε ότι θα μας βοηθήσει στην πράξη να κατασκευάσουμε καλύτερα φωτοβολταϊκά (που θα στηρίζονται στην πιο αποτελεσματική απορρόφηση του φωτός και στη μετατροπή του σε ηλεκτρικό ρεύμα), πιο γρήγορα νανολέιζερ, πιο ακριβείς βιοαισθητήρες και –σε πιο θεμελιώδες επίπεδο –ότι θα φανεί χρήσιμη στη δημιουργία κβαντικών πυλών, για τη μελλοντική κατασκευή κβαντικών υπολογιστών που θα λειτουργούν με μεμονωμένα φωτόνια».

Θα το περιμένουμε όλοι αυτό με ανοιχτές αγκάλες. Και σ’ ανώτερα!