Ολοι μάθαμε στο σχολείο ότι βυθίζοντας ένα ραβδί στο νερό βλέπουμε το βυθισμένο μέρος του εγγύτερα από ότι είναι, λόγω της διάθλασης. Επίσης μάθαμε ότι στον ηλεκτρομαγνητισμό ισχύει ο περίφημος νόμος του «δεξιού χεριού» (αντίχειρας υψωμένος, δείκτης εμπρός, μέσος αριστερά). Ακόμη, στην ακουστική, ότι το φαινόμενο Doppler έχει να κάνει με αύξηση της συχνότητας για αντικείμενα που μας πλησιάζουν και μείωσή της ενόσω απομακρύνονται. Αυτά μαθαίναμε – και μαθαίνουν τα παιδιά μας – ότι ισχύουν για όλα τα υλικά που μας περιβάλλουν.
Ο αιώνας όμως άλλαξε. Ζούμε στον 21ο, τον αιώνα της νανοτεχνολογίας και των νέων υλικών. Μια επιστημονική αλχημεία έχει αρχίσει να ξεπηδάει από τα ερευνητικά εργαστήρια και νέα υλικά, με απίστευτες ιδιότητες, ετοιμάζονται να μπουν σε γραμμές παραγωγής και να φθάσουν σύντομα στα ράφια των σουπερμάρκετ. Πόσο εύκολα λοιπόν θα δεχόσασταν ότι υπάρχουν υλικά που διαθλώνται… απομακρυνόμενα, που υπακούουν σε ηλεκτρομαγνητικό νόμο όχι του δεξιού αλλά του… αριστερού χεριού, ή που αντιστρέφουν τα όσα είπε ο Doppler, πρώτα… μειώνοντας και έπειτα αυξάνοντας τη συχνότητα διερχόμενων πηγών ενέργειας;
Επιστημονική φαντασία
Ακούγεται όντως απίστευτο, και όντως έτσι το εξέλαβε το σύνολο σχεδόν της επιστημονικής κοινότητας όταν τo 1964 ο ρώσος φυσικός Victor Veselago δημοσίευσε τα χαρακτηριστικά ενός τέτοιου υποθετικού υλικού. Διερεύνησε τις ιδιότητές του μέσω των εξισώσεων Maxwell και συμπέρανε ότι αυτό το υλικό θα είχε αρνητικό δείκτη διάθλασης, ήτοι αρνητική διηλεκτρική σταθερά (ε) και μαγνητική διαπερατότητα (μ), ταυτόχρονα. Υπό ειδικές συνθήκες, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι κάποια μέταλλα και ημιαγωγοί εμφάνιζαν τέτοιον «αρνητισμό», αλλά είτε ως προς τον ηλεκτρισμό είτε ως προς τον μαγνητισμό. Ποτέ ταυτόχρονα! Ηταν η πρώτη φορά που κάποιος ισχυριζόταν ότι ήταν εφικτή η συνύπαρξη, αλλά… δεν υποδείκνυε έναν τρόπο κατασκευής του υποθετικού αυτού υλικού.
Το θέμα που έθεσε ο Veselago αγνοήθηκε ως το 1996, οπότε τα πρώτα φωτονικά υλικά άρχισαν να υλοποιούνται στα δυτικά εργαστήρια. Τότε ο φυσικός John Pendry, του Imperial College του Λονδίνου, άρχισε τη μελέτη μικροδομών με παράλληλα αγώγιμα σύρματα. Σημείωσε ότι αυτές οι κατασκευές μπορούσαν να αναστρέψουν το ηλεκτρικό πεδίο του φωτός. Το 1999 εισηγήθηκε ότι μια άλλη διάταξη, διακεκομμένων δακτυλίων χαλκού (SRR), μπορούσε να αντιστρέψει το μαγνητικό πεδίο αυτή τη φορά, να μιμηθεί δηλαδή τη συμπεριφορά μαγνητικού υλικού με αρνητική διαπερατότητα σε συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων. Ηταν λοιπόν θέμα διάταξης κοινών αγώγιμων υλικών η αντιστροφή του ηλεκτρικού ή του μαγνητικού πεδίου! Αν μπορούσε κανείς να συνδυάσει τα δύο είδη διατάξεων θα έφτιαχνε ίσως το υποθετικό υλικό που είχε οραματισθεί ο Veselago. Το 2000 ο Pendry υπολόγισε ότι ένα τέτοιο υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του «τέλειου φακού» – ενός φακού του οποίου η ανάλυση δεν θα περιοριζόταν από το μήκος κύματος του φωτός, η εστίαση θα ήταν τέλεια και τα είδωλα θα ήταν ευκρινέστερα από ποτέ. Και καθώς μια επίπεδη επιφάνεια αυτού του υλικού εστιάζει το φως αντί να το διαχέει, ο «τέλειος φακός» θα ήταν επίπεδος!
Ενδιαφέρον και αντίδραση
Την αποστολή ανέλαβε και έφερε εις πέρας την επόμενη χρονιά η ομάδα Smith, Schultz και άλλων ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο (UCSD). Επέδειξαν το νέο τους υλικό σε διάφορα συνέδρια και έλκυσαν μεγάλο ενδιαφέρον, αλλά και μεγάλη αντίδραση: Επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Οστιν, στο Τέξας, και του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών της Ισπανίας αντέτειναν ότι αν ο «τέλειος φακός» υπήρχε θα επέτρεπε τη διέλευση φωτεινών ακτίνων με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός, όπερ άτοπον!
Το επιχείρημα έμοιαζε να ευσταθεί. Θεωρητικά είχαμε κάτι το παράλογο, πειραματικά όμως συνέβαινε. Από το αδιέξοδο τούς έβγαλαν οι… Ελληνες: Ο καθηγητής του Πανεπιστημίου της Αϊόβας Κώστας Σούκουλης και η ομάδα του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας στο Ηράκλειο Κρήτης απέδειξαν ότι κατά τη στιγμή της διέλευσης από δεξιόστροφο σε αριστερόστροφο υλικό το φως διαθλάται μεν αρνητικά αλλά όχι αμέσως. Παγιδεύεται στιγμιαία στα σύνορα της αριστερόστροφης επιφάνειας, πράγμα που δημιουργεί την εντύπωση ότι οι εξώτερες ακτίνες της δέσμης του ταξιδεύουν ταχύτερα.
Το μεγάλο άλμα
Τη θεωρητική αυτή απόδειξη ακολούθησαν και άλλες, πειραματικές με νέα υλικά, όπως εκείνη του καθηγητή του Πανεπιστημίου του Τορόντο Γιώργου Ελευθεριάδη, της ομάδας Phantom Works της Boeing, ερευνητών του Χάρβαρντ και του MIT. Το υλικό μάλιστα που ανέπτυξε η ομάδα Ελευθεριάδη θεωρείται μέγα άλμα, καθ’ ότι είναι ισότροπο και δεν υφίσταται τους περιορισμούς συχνοτήτων που είχαν τα προγενέστερα. Ετσι, ανοίγει το πεδίο εφαρμογής στις τηλεπικοινωνίες. Και στο φάσμα όμως των ορατών και υπεριωδών ακτίνων έγιναν βήματα: Οι Ρώσοι Σαλάγεφ και Σαρίτσεφ του Πανεπιστημίου Purdue, με τον Βίκτωρ Ποντόλσκι του Princeton, πρότειναν γι’ αυτόν τον τομέα τη χρήση ζευγών δίπολων ακίδων – σε ειδική νανοδιάταξη βέβαια. Συνολικά, με την έρευνα τέτοιων υλικών καταγίνονται πλέον πάνω από 100 ερευνητικές ομάδες διεθνώς.
Ολα αυτά τα παράδοξα τεχνητά υλικά αποκαλούνται στη διεθνή βιβλιογραφία ως μετα-υλικά (metamaterials), αριστερόστροφα υλικά (LHM), υλικά αρνητικού δείκτη (ΝΙΜ) ή υλικά αρνητικής διάθλασης (MNR). Οποιος όρος και αν επικρατήσει, το σίγουρο είναι ότι θα φέρουν τα πάνω κάτω στα μαθητικά εγχειρίδια Φυσικής…
Ο «τέλειος φακός»
Οπως ακριβώς συνέβη με τον «τέλειο καθρέφτη» του καθηγητή του MIT Γιάννη Ιωαννόπουλου (βλ. «Το Βήμα»/Science 15/6/03, σελ. 6, 7), έτσι και ο «τέλειος φακός» ξαναγράφει τους νόμους της οπτικής και μικροηλεκτρονικής. Το πιο εύλογο είναι ότι θα οδηγήσει σε DVD υπερυψηλής χωρητικότητας (100 κινηματογραφικές ταινίες σε ένα δίσκο) και φωτονικά κυκλώματα υπολογιστών πολλαπλάσιας ταχύτητας των τωρινών. Ομως τι είναι αυτό που κάνει το ερευνητικό πρόγραμμα του Πενταγώνου (DARPA) και το αντίστοιχο του ΝΑΤΟ να χρηματοδοτούν έρευνες όπως αυτές της Boeing και της ομάδας Σούκουλη;
Βεβαίως η υπολογιστική ισχύς και η χωρητικότητα δεδομένων ενδιαφέρει τις στρατιωτικές υπηρεσίες. Ακόμη περισσότερο, τις ενδιαφέρει η χρήση αριστερόστροφων υλικών σε ρόλο τέλειων φακών καθοδήγησης ακτίνων λέιζερ ή για την επίτευξη ασύρματης επικοινωνίας από μικροσκοπικές συσκευές και κεραίες υπερυψηλής απόδοσης. Υπέρ πάντων όμως τις ενδιαφέρει η δυνατότητα κατασκευής «αόρατων αεροσκαφών» (Stealth), που δεν θα οφείλουν την ιδιότητα αυτή στο (περιοριστικό) σχήμα τους, αλλά στο ίδιο το υλικό. Φαντασθείτε δηλαδή ότι ένα οσοδήποτε ταχύ και ισχυρό πολεμικό αεροσκάφος θα μπορεί να γίνεται αόρατο στα εχθρικά ραντάρ αν έχει ως επικάλυψη της θωράκισής του ένα μετα-υλικό αρνητικής διάθλασης. Μια μετεξέλιξη δηλαδή της… νεραϊδόσκονης της Τίνγκιμπελ, του Πίτερ Παν!
H αναζήτηση του μετα-υλικού
Το ενδιαφέρον των στρατιωτικών μεταφράζεται βεβαίως σε χρήμα. Και είναι αυτό που επιτρέπει στα περισσότερα επιστημονικά εργαστήρια να συνεχίζουν τις έρευνές τους για όλο και πιο μικροσκοπικές σε μέγεθος διατάξεις, ώστε να ελέγξουν όλο το φάσμα συχνοτήτων. Αλλά και η Ευρωπαϊκή Ενωση ενδιαφέρεται για το θέμα και στηρίζει ανάλογα έργα. Ενα από αυτά είναι το LHMAGNON, με κύριο ανάδοχο τον «Δημόκριτο», που στοχεύει στην ανάπτυξη αριστερόστροφου υλικού από μαγνητικές νανοακίδες. Ενα άλλο είναι το DALHM (Development and Analysis of Left-Handed Materials), με κύριο ανάδοχο το ΙΤΕ και στόχο επίσης τη μελέτη αριστερόστροφων υλικών. Οι πιο πρόσφατες ανακοινώσεις για τα αριστερόστροφα υλικά γεννούν ελπίδες εφαρμογής σε πάμπολλα «ειρηνικά» πεδία: Οι κεραίες των κινητών τηλεφώνων θα μπορούν να έχουν πολύ καλύτερη λήψη, ενώ θα εκπέμπουν πολύ χαμηλότερη ακτινοβολία στον χειριστή τους. Οι οθόνες τηλεοράσεων και υπολογιστών θα αλλάξουν ριζικά, καθώς τα αριστερόστροφα υλικά δημιουργούν – κατά τους ερευνητές του Πανεπιστημίου της Γιούτα – ανακλάσεις που επιτρέπουν τρισδιάστατη θέαση. Οι μαγνητικοί τομογράφοι θα εστιάζουν καλύτερα και πιο ποικιλότροπα. H φωτολιθογραφία – που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τυπωμένων κυκλωμάτων – θα επιτρέψει πλέον τον σχεδιασμό ακόμη πιο πυκνών διατάξεων, άρα και κυκλωμάτων πολύ μικρών διαστάσεων. Επίσης η δυνατότητα εστίασης σε ελάχιστη απόσταση από επίπεδο φακό θα επιτρέψει στην οπτική βιομηχανία να κατασκευάσει όχι μόνον πανάλαφρους και ελαχιστομεγέθεις φακούς, αλλά και μικροσκόπια που θα βλέπουν σε ατομική κλίμακα.
H ελληνική «αριστερή στροφή»
Οπως προαναφέραμε, καταλυτικό ρόλο στην αποδοχή των αριστερόστροφων υλικών από την επιστημονική κοινότητα είχε η εργασία μιας ομάδας ελλήνων ερευνητών. Πρόκειται για τον κορίνθιο καθηγητή Κώστα Σούκουλη, του Πανεπιστημίου της Αϊόβας, και το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ITE. Ο δρ Σούκουλης επικοινώνησε με «Το Βήμα»/Science για να μας συγχαρεί για το πρόσφατο άρθρο μας στη φωτονική, οπότε αδράξαμε την ευκαιρία να τον ρωτήσουμε κάποιες λεπτομέρειες:
– Τα αριστερόστροφα υλικά μάς υπόσχονται «υπερφακούς». Πόσο καλύτεροι θα είναι αυτοί από τους υπάρχοντες;
«Το γεγονός ότι τα αριστερόστροφα υλικά επιτρέπουν τη δημιουργία επίπεδων φακών είναι φοβερό πλεονέκτημα. Αφενός διότι οι νέοι φακοί θα είναι πολύ λιγότερο ογκώδεις και βαρείς. Αφετέρου διότι θα μπορούν να εστιάζουν σε πολύ μικρή απόσταση. Οι κανονικοί φακοί περιορίζονται από τη διάθλαση, καθ’ όσον η ελάχιστη απόσταση όπου μπορούν να εστιάσουν είναι το ήμισυ του μήκους κύματος του φωτός που διαθλάται. Οπότε, αν θέλουμε σήμερα να εστιάσουμε σε απόσταση 100 Angstrom… πολύ απλά δεν μπορούμε με κανονικούς φακούς και το φυσικό φως. Μια άλλη εξαίρετη ιδιότητα των υλικών αυτών είναι ότι μπορούν να κατευθύνουν με ακρίβεια δέσμες ακτίνων σε πολύ μεγάλη απόσταση (σ.σ.: Πολυπόθητη εφαρμογή αυτής της δυνατότητας είναι η παροχή ενέργειας σε δορυφόρους με ακτίνες λέιζερ από τη Γη). Τέλος, υπάρχει και η φοβερή ιδιότητά τους να μην αντανακλούν τίποτε, οπότε είναι ορατή και η εφαρμογή τους στο λεγόμενο «τύφλωμα των ραντάρ»».
– H εργασία σας χρηματοδοτείται από την EE και στην ομάδα έργου περιλαμβάνεται το Ιδρυμα Τεχνολογίας και Ερευνας και τo ιδιωτικό Πανεπιστήμιο της Κωνσταντινούπολης Bilkent. Τι οδήγησε σε αυτό το ασύνηθες ταίριασμα;
«Κατ’ αρχήν να ξεκαθαρίσουμε ότι η μόνη ενίσχυση που έχουμε από το ΝΑΤΟ είναι κάποια έξοδα ταξιδιών μεταξύ ΗΠΑ, Ελλάδας και Τουρκίας. Το γεγονός ότι συνεργαζόμαστε, αυτοί που συνεργαζόμαστε, οφείλεται από τη μια πλευρά στο ότι η ομάδα του καθηγητή E. Οικονόμου στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ITE έχει εξαίρετους ερευνητές (όπως για παράδειγμα η κυρία Μαρία Καφεσάκη), από την άλλη στο ότι ο καθηγητής Ekmel Ozbay του Bilkent University υπήρξε εκλεκτός συνεργάτης μου στο Πανεπιστήμιο της Αϊόβας. Εκεί κάναμε πρωτοποριακή έρευνα στην ανάπτυξη φωτονικών κρυστάλλων με διαστρωμάτωση, και ο δρ Ozbay υπήρξε «κινητήριος δύναμη». Στην Τουρκία, όπου επέστρεψε από το 1995, έχει ένα πρώτης τάξεως εργαστήριο και συνεχίσαμε τη συνεργασία μας. Ηταν φυσικό λοιπόν να συνεργαστούμε και στο πρόγραμμα DALHM της EE».
– Ωστόσο δεν παύει να είναι μια έρευνα στρατιωτικού ενδιαφέροντος, που εμπλέκει ερευνητές από στρατιωτικά «καχύποπτες» μεταξύ τους χώρες. Αισθανθήκατε ποτέ κάποια ειδική «επίβλεψη» εξαιτίας αυτής της ιδιαιτερότητας;
«Δεν υπήρξε ποτέ καμία τέτοιου είδους «επίβλεψη» στη δουλειά μας. Θα πρέπει να υπογραμμίσω ότι αυτό που μας ενδιαφέρει κυριαρχικά είναι η έρευνα. Οι όποιες εφαρμογές της μπορούν να ακολουθήσουν».
– Σκοπεύετε να αξιοποιήσετε εμπορικά στο μέλλον τα αποτελέσματα των ερευνών σας; Με την ίδρυση κάποιας εταιρείας ή την πώληση δικαιωμάτων…
«Οι καιροί είναι δύσκολοι για εταιρείες «spin-off». Βεβαίως θα κατοχυρώσουμε ως ευρεσιτεχνίες τα πιο σημαντικά μας αποτελέσματα. Αυτό το έχουμε κάνει ήδη και για την υπόλοιπη εργασία μας στον τομέα των φωτονικών κρυστάλλων».
