Το φως στρίβει, φρενάρει και παρκάρει!

Μας έχει γίνει πλέον συνείδηση ότι η συνταγή κάθε μεγάλης τεχνολογικής ανακάλυψης εμπεριέχει γνώση, υποδομή, κίνητρο και επιμονή. Ποια αναλογία άραγε αυτών των συστατικών θα έδινε στη φωτονική τη δυνατότητα να πάρει τη θέση της ηλεκτρονικής; Αυτό το ερώτημα απασχολούσε σίγουρα τους επιστήμονες που τα τελευταία δέκα χρόνια έκαναν απανωτά άλματα στην έρευνα ελέγχου και αξιοποίησης του φωτός. Ενας από αυτούς ήταν ο διακεκριμένος έλληνας καθηγητής του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης, του γνωστού MIT, ο Γιάννης Ιωαννόπουλος. Ακαδημαϊκός καριέρας, πήρε το διδακτορικό του στη Φυσική από το Μπέρκλεϊ και διδάσκει στο MIT από το 1974. Υπήρξε καθοδηγητής διατριβής πολλών επώνυμων φυσικών – όπως του νομπελίστα Ρόμπερτ Λάφλιν – και έχει βραβευθεί για τη σωκράτεια μέθοδο διδασκαλίας του, τη μεταδοτικότητά του και το δέσιμο με τους φοιτητές του.

Το συστατικό λοιπόν της γνώσης υπήρχε σε περίσσεια στο MIT. Αυτό το γνώριζε ο Γιόελ Φινκ όταν χτύπησε την πόρτα του Ιωαννόπουλου, το 1995, για να επιβλέψει το διδακτορικό του. Επίσης γνώριζε ότι εκεί υπήρξε η υποδομή που χρειαζόταν, κυρίως σε υπολογιστική ισχύ, για να ερευνήσει την ιδέα του. Ο ίδιος είχε μόνο το κίνητρο: Εχοντας ήδη υπηρετήσει επί τρία χρόνια στον ισραηλινό στρατό, γνώριζε ότι την ώρα της μάχης το να διακρίνεις τον εχθρό από τον φίλο είναι το ίδιο πολύτιμο με το να γίνεσαι αόρατος. Και αυτό που ο ίδιος ο Φινκ είχε κατά νου να υλοποιήσει ήταν κάτι που θα έκανε… και τα δύο!

Αποδείχθηκε ότι ο Φινκ είχε και την απαραίτητη επιμονή. Του πήρε ενάμιση χρόνο να πείσει τον πολιορκημένο από φοιτητές Ιωαννόπουλο να αναλάβει την επίβλεψη της διατριβής του. Τον έπεισε και από τότε έγινε μέλος της ομάδας που επιχειρούσε να δαμάσει το φως. Στα τέλη του 1998 η ομάδα αυτή ανακοίνωσε πανηγυρικά τη… διάψευση του Ιωαννόπουλου!

Συγκεκριμένα στο βιβλίο-ευαγγέλιο της φωτονικής Molding the flow of light (Καλουπώνοντας τη ροή του φωτός) ο έλληνας καθηγητής είχε προβλέψει ότι δεν θα γινόταν ποτέ εφικτό να έχουμε 100% κατοπτρισμό του φωτός. Βλέπετε, ο καθρέφτης που συντροφεύει τον άνθρωπο τα τελευταία 3.000 χρόνια έχει ένα κουσούρι: φυλακίζει στα μόρια της μεταλλικής του βάσης κάποια από τα φωτόνια που δέχεται, όπως συμβαίνει με κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προσπίπτει σε μεταλλική επιφάνεια. Ετσι, μολονότι εμείς βλέπουμε στον καθρέφτη οτιδήποτε ανακλάται πάνω του, η εικόνα που μας επιστρέφει έχει μειωμένη φωτεινότητα. Αυτή η απώλεια μπορεί να μην έχει επιπτώσεις στο… πρωινό μας ξύρισμα αλλά είναι μέγιστο εμπόδιο στην αξιοποίηση του φωτός εν είδει ηλεκτρικού ρεύματος στις τηλεπικοινωνίες ή στο χτίσιμο «φωτονικών υπολογιστών».

Ο τρόπος που συμπεριφέρεται το φως περιγράφεται από τις περιώνυμες εξισώσεις του Μάξγουελ. Ο Ιωαννόπουλος και η ομάδα του τροφοδότησαν τον υπερυπολογιστή Cray του MIT με αυτές και αναζήτησαν τη θεωρητική δομή ενός υλικού που θα ανακλούσε το φως πλήρως αλλά και θα μπορούσε να το παγιδεύσει μέσα του με τρόπο ώστε να το διοχετεύσει αλώβητο σε δρόμους και ατραπούς που διαλέγει ο άνθρωπος. Υστερα από 280 ώρες «σκέψης» ο υπολογιστής έδωσε το τρισδιάστατο μοντέλο δομής του ιδεώδους υλικού. Ψάχνοντας για συστατικά που θα ανταποκρίνονταν στις ζητούμενες ιδιότητες, η ερευνητική ομάδα κατέληξε στο ότι το υλικό του «τέλειου καθρέφτη» απαρτίζεται από ένα πολύπλοκο μείγμα ψευδαργύρου, πυριτίου, φωσφόρου και αρσενικού.

Ο τέλειος καθρέφτης που έφτιαξαν βαφτίστηκε «διηλεκτρικός καθρέφτης» ή «φωτονικός κρύσταλλος». H δομή του μοιάζει με δοκάρια στοιβαγμένα σε αλλεπάλληλες στρώσεις – κάθετες και οριζόντιες. Οταν τα φωτόνια πέφτουν σε μια τέτοια «στοίβα», ανακλώνται χωρίς απώλειες. Το ενδιαφέρον όμως αυξάνεται όταν επιτρέψουμε στη στοίβα να έχει ελάττωμα: Αν λείπει κάποιο «δοκάρι», το φως διεισδύει στο παράθυρο που του ανοίχθηκε και φυλακίζεται μέσα στον κρύσταλλο. Αν, τώρα, του δώσουμε διέξοδο – μέσα από «έξυπνες γρίλιες» – σε οσοδήποτε λαβυρινθώδη διαδρομή τέτοιου υλικού, την ακολουθεί ώσπου να βρει την έξοδο.

Αυτή η απλοποιημένη περιγραφή του φαινομένου δίνει την πρώτη περιοχή εφαρμογής του φωτονικού κρυστάλλου, την υποκατάσταση των οπτικών ινών. Οπως όλοι γνωρίζουμε πλέον, τα τηλεφωνήματά μας και το Internet φθάνουν μεν στο σπίτι μας με καλώδια χαλκού αλλά λίγο πιο πέρα τρέχουν μέσα σε γυάλινους σωλήνες, τα καλώδια οπτικών ινών. Ο λόγος είναι η τεράστια χωρητικότητα και ταχύτητα μετάδοσης που επιτυγχάνεται όταν τα δεδομένα τρέχουν όχι ως ηλεκτρόνια μέσω μετάλλου αλλά ως φωτόνια σε κενό γυάλινο σωλήνα με κατοπτρικό περίβλημα. Ωστόσο υπάρχουν και μειονεκτήματα, όπως το υψηλό κόστος, η αδυναμία πόλωσης και η περιορισμένη γωνία στρέψης του οπτικού καλωδίου – μειονεκτήματα που αντανακλώνται στη δυστοκία παροχής Internet υπερυψηλών ταχυτήτων στα νοικοκυριά. Αν όμως τα καλώδια οπτικών ινών αντικατασταθούν από καλώδια φωτονικών κρυστάλλων, θα έχουμε ραγδαία μείωση του κόστους και καλωδιώσεις χωρίς πρόβλημα στροφών και πόλωσης!

Το «μποτιλιάρισμα» στα σημερινά καλώδια οπτικών ινών οφείλεται στο ότι ενώ μπορούν να μεταφέρουν ταυτόχρονα πολλά τηλεφωνήματα, τα επεξεργάζονται ένα ένα σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές, με τα γνωστά όρια επεξεργαστικής ταχύτητας. Λύση έδωσε πρόσφατα η αμερικανική κατασκευάστρια δικτύων Lucent, με την τεχνική φιλτραρίσματος του φωτός σε διαφορετικές χρωματικές ζώνες, δηλαδή συχνότητες. Μέσω των συσκευών της, η ροή των δεδομένων που μεταφέρουν τα φωτόνια μπορεί να ελεγχθεί εν παραλλήλω αντί εν σειρά. Ωστόσο, πέραν του υψηλού κόστους κάθε τέτοιου φίλτρου, υπάρχει το πρόβλημα του μεγέθους των ηλεκτρονικών του κυκλωμάτων, καθ’ όσον ένα φίλτρο εκατοντάδων τηλεφωνικών γραμμών θα ήταν πρακτικά ανεφάρμοστο, ως υπερμέγεθες. Αντίθετα, οι ίνες φωτονικών κρυστάλλων του MIT έχουν αφενός τη δυνατότητα να «βλέπει» η καθεμία διαφορετική συχνότητα, αφετέρου διάμετρο μόνο 0,5 μικρών – πράγμα που τις κάνει 100 φορές μικρότερες από τα φίλτρα συχνοτήτων της Lucent.

H προοπτική εκατονταπλασιασμού της χωρητικότητας και ταχύτητας των τηλεπικοινωνιακών δικτύων είναι ήδη συγκλονιστική αλλά δεν είναι η μόνη. Συνεχίζοντας τα πειράματά της, η ομάδα του Ιωαννόπουλου ανακοίνωσε τον προηγούμενο μήνα ότι διέγνωσε «απροσδόκητα και εκπληκτικά νέα φυσικά φαινόμενα». Συγκεκριμένα, όταν ένας φωτονικός κρύσταλλος δέχεται κύματα κλονισμού – είτε από ωμή πίεση, όπως πυροβολισμό, είτε από ηχητικό κύμα -, το φως που εγκλωβίζεται μέσα του αλλάζει τη συχνότητά του και στενεύει το εύρος ζώνης της. Αν το κύμα κλονισμού ταξιδεύει στην αντίθετη κατεύθυνση από το φως, η συχνότητα του φωτός θα γίνει μεγαλύτερη με κάθε αναπήδηση στα τοιχώματα του κρυστάλλου, ενώ αν ταξιδεύει προς την ίδια κατεύθυνση, η συχνότητα πέφτει. Για παράδειγμα, ύστερα από περίπου 10.000 ανακλάσεις – οι οποίες διαρκούν συνολικά γύρω στο 0,1 nanosecond – η συχνότητα του φωτός μπορεί να μετατοπιστεί εντυπωσιακά – από το κόκκινο ως το μπλε ή από το ορατό φως προς τις υπέρυθρες ακτίνες. H μεταβολή μέσω κλονισμού του κρυστάλλου είναι ρυθμίσιμη και ανεξάρτητη της έντασης του φωτός. Επίσης, με αλλαγή της δομής του κρυστάλλου είναι δυνατό να ελεγχθούν ποιες ακριβώς συχνότητες θα μπαίνουν στον κρύσταλλο και ποιες θα βγαίνουν.

Στην ουσία, έχουμε πλέον το φωτονικό αντίστοιχο ενός ημιαγωγού. Το «ελάττωμα» στη δομή του κρυστάλλου που προαναφέραμε είναι μια περιοδική διευθέτηση κενών γεμάτων με αέρα, τα οποία έχουν χαμηλότερο δείκτη διάθλασης από το υλικό του φωτονικού κρυστάλλου που τα φιλοξενεί. Αυτή η περιοδική μεταβολή του δείκτη διάθλασης είναι που δίνει στο υλικό το «φωτονικό χάσμα των ζωνών του», ένα οπτικό ισοδύναμο του ενεργειακού χάσματος σε έναν ημιαγωγό. Ακριβώς όπως τα ηλεκτρόνια «βιώνουν» το περιοδικό δυναμικό σε έναν ημιαγωγό και αυτό περιορίζει την ενέργειά τους σε ορισμένες περιοχές – γνωστές ως ζώνες -, έτσι και η περιοδική παραλλαγή του δείκτη διάθλασης σε έναν φωτονικό κρύσταλλο σημαίνει ότι μόνο ορισμένα μήκη κύματος του φωτός είναι σε θέση να περάσουν μέσω του κρυστάλλου. Επιπλέον, οι «οπτικοί διακόπτες» θα μπορούν να μετατοπίζουν τις φωτεινές ακτίνες σε μια συχνότητα «αποθήκευσης».

Σε απλά ελληνικά, όλα αυτά σημαίνουν ότι βρισκόμαστε στο κατώφλι της υποκατάστασης των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων από φωτονικά. Αν όχι σε όλους τους τομείς εφαρμογών, τουλάχιστον στην πληροφορική θα δούμε επιτέλους υπολογιστές που θα «τρέχουν» όχι απλώς σε GigaHertz αλλά σε TerraHertz, με όλα τα συνεπακόλουθα αποτελέσματα στην οικονομία, στην υγεία, στην ψυχαγωγία, στην καθημερινή διαβίωση και… στη στρατιωτική τεχνολογία.


Στολή που κάνει τους στρατιώτες αόρατους

Είπαμε στρατιωτική τεχνολογία και θυμηθήκαμε το… κίνητρο του Φινκ. Ούτε ο ίδιος το ξέχασε ποτέ, αλλά ούτε και ο στρατός. Το πρόγραμμα ερευνών των ενόπλων δυνάμεων των ΗΠΑ χρηματοδότησε γενναία τα ειδικά πειράματά του και τα ενέταξε στον νέο ερευνητικό θεσμό του MIT που φέρει τον εύγλωττο τίτλο Ινστιτούτο Στρατιωτικής Νανοτεχνολογίας. Τι ακριβώς τους υποσχέθηκε; Μια στρατιωτική στολή που για τον εχθρό θα είναι «αόρατη» ενώ για τα φίλια στρατεύματα θα εκπέμπει την ταυτότητα του φέροντος!

Από την προ πενταετίας ανακάλυψη του «τέλειου καθρέφτη» ο Φινκ έφθασε στην παραγωγή ινών υφάσματος που συμπεριφέρεται σαν χαμαιλέων. Οι ίνες σχηματίζονται από αλλεπάλληλες στρώσεις χαλκογενίδης – μιας ανόργανης υαλώδους ουσίας – και πολυμερούς. Μεταβάλλοντας το πάχος των στρώσεων των υλικών αυτών μπορούμε να έχουμε εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα: από ρούχα που το πρωί θα έχουν άλλο χρώμα και το απόγευμα άλλο ως στρατιωτικές στολές που θα κάνουν τον φέροντα αόρατο σε ανιχνευτές υπεριώδους ακτινοβολίας ή θα εμφανίζουν ένα μήνυμα τύπου bar-code ώστε να είναι αναγνωρίσιμος από τις φίλιες δυνάμεις.

Οι προοπτικές εφαρμογών των υλικών από φωτονικούς κρυστάλλους είναι τόσες που κυριολεκτικά σαστίζουν. Στις πιο σίγουρες συγκαταλέγονται λαμπτήρες πολύ μεγάλης απόδοσης, γυαλιά ηλίου ή οράσεως χωρίς εστιακή διαμόρφωση των φακών, νέου τύπου και αβλαβείς κεραίες κινητών τηλεφώνων, νέου τύπου χαρτί εκτύπωσης, «έξυπνοι» πίνακες ηχομόνωσης για τους αυτοκινητοδρόμους, νέου τύπου ηχητικά συστήματα, ακτινογραφίες χωρίς χρήση των βλαβερών ακτίνων X και, βέβαια, φωτονικοί υπολογιστές. Στις πιο προχωρημένες ιδέες εντάσσονται η αξιοποίηση της δομής των φωτονικών κρυστάλλων στην προστασία των δορυφόρων από εχθρικές ακτίνες λέιζερ ή στο ανάλογο «στοίβαγμα» τσιμεντένιων δοκών σε παραλίες που κινδυνεύουν από κύματα τσουνάμι ή σε «φράγματα σεισμών». Αυτή η τελευταία σκέψη ανήκει στον επίσης έλληνα φυσικό Μιχάλη Σιγάλα, ο οποίος προτείνει τη διαμόρφωση τέτοιων διατάξεων βαθιά στο έδαφος σεισμικά ευαίσθητων περιοχών, με οπές διαμέτρου 10 μέτρων, που θα εγκλωβίζουν τα σεισμικά κύματα του Εγκέλαδου!

Μαγευτικές προοπτικές από μαγικές δομές που μας χάρισαν οι φωτοπαγίδες των γητευτών του φωτός… Μένει να τις δούμε να μπαίνουν σε γραμμές παραγωγής, ώστε να πεισθούμε ιδίοις όμμασι. Ως τότε συνεχίστε να προτιμάτε μπλουζάκια που… δεν αλλάζουν χρώμα.