Κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης, εκτός από ορισμένους τολμηρούς επιστήμονες. Μεταξύ αυτών και η ομάδα του καθηγητή Γιώργου Ελευθεριάδη, η οποία κατασκεύασε ένα υλικό το οποίο παρουσιάζει αρνητικό δείκτη διάθλασης στα μικροκύματα

H επανάσταση των μετα-υλικών

H επανάσταση των μετα-υλικών Κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης, εκτός από ορισμένους τολμηρούς επιστήμονες. Μεταξύ αυτών και η ομάδα του καθηγητή Γιώργου Ελευθεριάδη, η οποία κατασκεύασε ένα υλικό το οποίο παρουσιάζει αρνητικό δείκτη διάθλασης στα μικροκύματα X. ΒΑΡΒΟΓΛΗΣ Το 1968 ο ρώσος φυσικός Βίκτωρ Βεσελάγκο δημοσίευσε μια πρωτοποριακή εργασία, στην οποία παρουσίαζε

Το 1968 ο ρώσος φυσικός Βίκτωρ Βεσελάγκο δημοσίευσε μια πρωτοποριακή εργασία, στην οποία παρουσίαζε τις επαναστατικές τεχνολογικές εφαρμογές που θα είχε ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Τέτοιο υλικό όμως δεν υπήρχε τότε και ούτε είχε κανείς την παραμικρή ιδέα πώς θα μπορούσε να κατασκευαστεί. Τριάντα έξι όμως χρόνια αργότερα φαίνεται πως οι επιστήμονες κατάφεραν να κατασκευάσουν αυτό που δεν έχει καταφέρει η φύση, και νέοι δρόμοι ανοίγονται τόσο στη Φυσική όσος και στην Τεχνολογία. Πρωταγωνιστικό ρόλο σε αυτή τη γιγαντιαία προσπάθεια παίζει ένας Ελληνας της διασποράς, ο Γιώργος Ελευθεριάδης.


Ο Γιώργος Ελευθεριάδης γεννήθηκε το 1963 στη Λεμεσό. Πήρε το δίπλωμα του ηλεκτρολόγου μηχανικού από το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο το 1988. Συνέχισε τις σπουδές του στο Πανεπιστήμιο του Μίτσιγκαν, στο Ανν Αρμπορ, από όπου πήρε το μάστερ το 1989 και το διδακτορικό το 1993. Το διάστημα 1994-1997 εργάστηκε στο Ομοσπονδιακό Ελβετικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάννης. Από το 1998 είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών του Πανεπιστημίου του Τορόντο. Ασχολείται ερευνητικά με την παρασκευή μετα-υλικών και με τον σχεδιασμό κεραιών για ασύρματες τηλεπικοινωνίες, επικεφαλής μιας ομάδας 12 μεταπτυχιακών σπουδαστών.


Ολοι μας γνωρίζουμε, από την καθημερινή μας ζωή, το φαινόμενο της διάθλασης. Για παράδειγμα, σε αυτό οφείλεται το ότι βλέπουμε ένα κουπί «σπασμένο» στο σημείο που βυθίζεται στο νερό. H πιο σημαντική εφαρμογή της διάθλασης είναι οι φακοί, που χρησιμοποιούνται από τα μικροσκόπια και τις φωτογραφικές μηχανές, ως τα διορθωτικά γυαλιά της όρασης. Το γυαλί και τα άλλα υλικά, που χρησιμοποιούμε για την κατασκευή φακών, χαρακτηρίζονται από μια παράμετρο που ονομάζεται δείκτης διάθλασης και δείχνει πόσο πολύ «στρίβει» μια ακτίνα που περνάει από τον αέρα μέσα στο υλικό. Ο αέρας έχει δείκτη διάθλασης ίσο με 1 και όλα τα άλλα υλικά έχουν δείκτη διάθλασης μεγαλύτερο από 1. Το 1621 ο ολλανδός φυσικός Σνελ είχε διατυπώσει έναν νόμο, ο οποίος καθορίζει την κατεύθυνση και τη γωνία στροφής μιας φωτεινής ακτίνας που διέρχεται από ένα υλικό σε ένα άλλο, με βάση τους δείκτες διάθλασης των δύο υλικών. Ως τη δεκαετία του 1960 ο νόμος του Σνελ όχι μόνο δεν είχε επηρεαστεί από τις διαδοχικές επαναστάσεις που έφερε στη Φυσική ο εικοστός αιώνας, αλλά είχε επεκταθεί και στα άλλα είδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως είναι τα ραδιοφωνικά κύματα και τα μικροκύματα.


Ξαφνικά το 1968 ο ρώσος φυσικός Βίκτωρ Βεσελάγκο είχε την ιδέα να υπολογίσει ποιες θα ήταν οι ιδιότητες ενός υλικού με αρνητικό δείκτη διάθλασης, το οποίο ονόμασε αριστερόστροφο υλικό, εξαιτίας της διάταξης που έχουν σε αυτό το ηλεκτρικό πεδίο, το μαγνητικό πεδίο και η διεύθυνση διάδοσης. Τα αποτελέσματα στα οποία κατέληξε ήταν πραγματικά εντυπωσιακά, η εργασία του όμως θεωρήθηκε ως ένα είδος επιστημονικής παραδοξολογίας, αφού κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί πώς θα μπορούσε να κατασκευαστεί ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης.


Τα πειράματα


H κατάσταση άλλαξε ριζικά στα τέλη του εικοστού αιώνα, όταν η ιδέα των υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης άρχισε να αναβιώνει, εξαιτίας ορισμένων πρωτοποριακών πειραμάτων. Πολλοί όμως επιστήμονες θεωρούσαν λανθασμένη την ερμηνεία των αποτελεσμάτων αυτών των πειραμάτων και εξακολουθούσαν να θεωρούν ότι τα μετα-υλικά, όπως ονομάζονται σήμερα τα αριστερόστροφα υλικά, αποτελούν μια απραγματοποίητη ιδέα ενός θεωρητικού φυσικού με μεγάλη φαντασία.


Στο σημείο αυτό σημαντικότατο ρόλο έπαιξε η ερευνητική δουλειά του Γιώργου Ελευθεριάδη. Με τη συνεργασία της ερευνητικής ομάδας των μεταπτυχιακών φοιτητών του, όχι μόνο κατασκεύασε ένα υλικό, το οποίο παρουσιάζει αρνητικό δείκτη διάθλασης στα μικροκύματα, αλλά και έδειξε ότι ένας επίπεδος φακός, φτιαγμένος από αυτό το υλικό, μπορεί να εστιάσει μια δέσμη μικροκυμάτων. Οι εργασίες του καθηγητή Ελευθεριάδη δημιούργησαν έναν ενθουσιασμό στη διεθνή επιστημονική κοινότητα, επειδή απέδειξαν οριστικά τη δυνατότητα κατασκευής μετα-υλικών και άνοιξαν πια τον δρόμο για τεχνολογικές εφαρμογές που ως πριν από λίγο καιρό θεωρούνταν ακατόρθωτες. Παράλληλα όμως άνοιξαν και έναν νέο δρόμο στη Φυσική, η αξιοποίηση του οποίου δεν είναι ακόμη εύκολο να εκτιμηθεί πού θα οδηγήσει. Δεν είναι λοιπόν περίεργο που μια πρόσφατη εργασία του καθηγητή Ελευθεριάδη ανακηρύχθηκε από το Ινστιτούτο Επιστημονικής Πληροφόρησης ως η δημοσίευση που χρησιμοποιήθηκε περισσότερο από τους επιστήμονες του τομέα της Τεχνολογίας τον περασμένο Μάρτιο.


H χρήση τους


Οι εφαρμογές των μετα-υλικών εκτείνονται σε ένα μεγάλο εύρος δραστηριοτήτων της καθημερινής ζωής. Οσες από αυτές αφορούν συσκευές που λειτουργούν με μικροκύματα θα εμφανιστούν σύντομα στην αγορά με εντυπωσιακά χαρακτηριστικά. Δύο παραδείγματα είναι ενδεικτικά:


* Μαγνητική τομογραφία. Θα κυκλοφορήσουν συσκευές μαγνητικής τομογραφίας, στις οποίες ο ασθενής δεν θα χρειάζεται να τοποθετείται σε έναν στενό κυλινδρικό σωλήνα. Το σώμα του θα μπορεί να βρίσκεται 1 μέτρο μακριά από τον μαγνήτη, και πάλι θα φαίνονται περισσότερες λεπτομέρειες από αυτές που είναι ικανά να αποτυπώσουν τα σύγχρονα μηχανήματα.


* Κατασκευή μικρότερων κεραιών. Με τη βοήθεια των μετα-υλικών είναι δυνατόν να μειωθεί ως 90% και το μέγεθος και η ισχύς των κεραιών, με προφανές κέρδος τη μείωση της ακτινοβολίας που δέχονται όσοι χρησιμοποιούν ασύρματες συσκευές, όπως για παράδειγμα κινητά τηλέφωνα.


Πολύ πιο σημαντικές θα είναι όμως οι εφαρμογές που θα εμφανιστούν όταν γίνει δυνατό να κατασκευαστούν μετα-υλικά για φωτεινές ακτίνες. Μερικές από αυτές είναι:


* Κατασκευή επίπεδων φακών, γεγονός που θα φέρει επανάσταση σε όλες τις οπτικές συσκευές, όπως για παράδειγμα στις φωτογραφικές μηχανές.


* Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μικρότερου μεγέθους. Με τα συνηθισμένα υλικά δεν είναι δυνατόν να απεικονισθεί ένα αντικείμενο με διαστάσεις μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούμε. Αυτό το γεγονός περιορίζει τις διαστάσεις των συνδέσεων στα «τσιπάκια» των ηλεκτρονικών συσκευών. Τα μετα-υλικά όμως δε έχουν αυτόν τον περιορισμό, οπότε η ελάττωση των διαστάσεων των ηλεκτρονικών συσκευών θα είναι δραματική.


* Αύξηση της χωρητικότητας των οπτικών ινών. Οι ενσύρματες τηλεπικοινωνίες σήμερα δεν χρησιμοποιούν πια σύρματα από μέταλλο, αλλά ίνες από διαφανή υλικά, μέσα από τις οποίες περνάει το φως ενός λέιζερ. Το χρώμα του λέιζερ που χρησιμοποιούμε εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού της ίνας. Αυτό ισχύει για τα κοινά υλικά, όχι όμως για τα μετα-υλικά. Ετσι με ίνες κατασκευασμένες από μετα-υλικά θα μπορούμε να χρησιμοποιούμε ταυτόχρονα λέιζερ διαφορετικών χρωμάτων, γεγονός που θα αυξήσει τη χωρητικότητα των τηλεφωνικών κυκλωμάτων.


Μέχρι στιγμής υπάρχουν πολλές προτάσεις για το πώς θα μπορούσε να «κατασκευασθεί» ένα μετα-υλικό. H ιδέα του καθηγητή Ελευθεριάδη ήταν να ενσωματώσει, μέσα σε ένα πλαστικό φύλλο, ένα δίκτυο από μικροσκοπικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, πηνία και πυκνωτές. H κατασκευή αυτή είναι αποτελεσματική στα μικροκύματα, αλλά δεν είναι εύκολο να τροποποιηθεί για χρήση στο φως. Στην Ελλάδα πρωτοπόρος στην έρευνα για κατασκευή μετα-υλικών στην οπτική είναι ο καθηγητής Μοδινός του ΕΜΠ, ενώ πρόσφατα έχουν εμπλακεί σε παρόμοια προγράμματα και οι καθηγητές Οικονόμου και Σούκουλης του Πανεπιστημίου Κρήτης.


Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

Ακολουθήστε στο Google News και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις
Δείτε όλες τις τελευταίες Ειδήσεις από την Ελλάδα και τον Κόσμο, από
Science
ΒΗΜΑτοδότης
Σίβυλλα
Helios Kiosk