Έναν νέο τύπο ακτίνας λέιζερ, που «παραβιάζει» τις αρχές που ήταν γνωστές ως τώρα ως προς τον τρόπο που το φως διαθλάται και ταξιδεύει, ανέπτυξαν ερευνητές του University of Central Florida.
Τα σχετικά ευρήματα, που δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο Nature Photonics, θα μπορούσαν να επηρεάσουν σημαντικά τις τεχνολογίες οπτικών επικοινωνιών και λέιζερ.
«Αυτή η νέα κλάση ακτίνων λέιζερ έχει μοναδικές ιδιότητες τις οποίες δεν έχουν οι κοινές ακτίνες λέιζερ» είπε ο Αϊμάν Αμπουραντί, καθηγητής στο UCF και επικεφαλής ερευνητής της μελέτης.
Οι ακτίνες, γνωστές ως spacetime wave packets («πακέτα» ή δέσμες κυμάτων χωροχρόνου) ακολουθούν διαφορετικούς κανόνες όταν διαθλώνται- δηλαδή όταν διέρχονται μέσα από διαφορετικά υλικά. Κανονικά το φως επιβραδύνει όταν ταξιδεύει μέσα σε ένα πυκνότερο υλικό.
«Αντιθέτως τα spacetime wave packets μπορούν να ρυθμιστούν έτσι ώστε να συμπεριφέρονται με τον συνήθη τρόπο, να μην αλλάζουν ταχύτητα καθόλου, ή ακόμα και να επιταχύνουν ανώμαλα σε πυκνότερα υλικά» είπε ο Αμπουραντί. «Ως εκ τούτου, αυτοί οι παλμοί φωτός μπορούν να φτάνουν σε διαφορετικά σημεία του χώρου στον ίδιο χρόνο».
«Σκεφτείτε πώς ένα κουτάλι μέσα σε ένα ποτήρι με νερό φαίνεται σπασμένο στο σημείο όπου νερό και αέρας συναντώνται» πρόσθεσε. «Η ταχύτητα του φωτός στον αέρα είναι διαφορετική από την ταχύτητα του φωτός στο νερό. Και έτσι οι ακτίνες φωτός καταλήγουν να κάμπτονται αφού περάσουν την επιφάνεια μεταξύ αέρα και νερού, και έτσι το κουτάλι φαίνεται στραβό. Αυτό είναι ένα γνωστό φαινόμενο που περιγράφεται από τον Νόμο του Σνελ».
Αν και ο Νόμος του Σνελ ισχύει ακόμα, η υποκείμενη μεταβολή ταχύτητας των παλμών δεν ισχύει πλέον στις νέες ακτίνες λέιζερ, σημειώνει ο Αμπουραντί. Οι δυνατότητες αυτές έρχονται σε αντίθεση με την Αρχή του Φερμά, που λέει ότι το φως ταξιδεύει πάντα έτσι ώστε να ακολουθεί πάντα τη συντομότερη διαδρομή.
«Αυτό που βρίσκουμε εδώ, ωστόσο, είναι πως, όσο διαφορετικά και αν είναι τα υλικά μέσα από τα οποία περνά το φως, υπάρχει πάντα ένα από τα spacetime wave packets μας που θα μπορούσε να περνά το σημείο επαφής των δύο υλικών χωρίς να αλλάζει ταχύτητα» πρόσθεσε ο ερευνητής. «Οπότε, όποιες και αν είναι οι ιδιότητες του μέσου, θα περνά το όριο και θα συνεχίζει σαν να μην υπάρχει».
Για σκοπούς επικοινωνιών αυτό σημαίνει πως η ταχύτητα ενός μηνύματος που ταξιδεύει σε αυτά τα πακέτα δεν επηρεάζεται πλέον από τη διέλευση μέσα από διαφορετικά υλικά διαφορετικών πυκνοτήτων. «Αν σκεφτείτε ένα αεροπλάνο που προσπαθεί να επικοινωνήσει με δύο υποβρύχια στο ίδιο βάθος, με το ένα μακριά και το άλλο κοντά, αυτό που είναι πιο μακριά θα έχει μεγαλύτερη καθυστέρηση…βρήκαμε πως μπορούμε να ρυθμίσουμε τους παλμούς μας έτσι ώστε να φτάνουν και στα δύο υποβρύχια την ίδια στιγμή. Βασικά, τώρα αυτός που στέλνει τον παλμό δεν χρειάζεται να ξέρει πού είναι το υποβρύχιο, αρκεί να είναι στο ίδιο βάθος. Όλα αυτά τα υποβρύχια θα λάβουν τον παλμό την ίδια στιγμή, οπότε μπορείς να τα συγχρονίζεις στα τυφλά, χωρίς να ξέρεις πού είναι».
Η ομάδα του Αμπουραντί δημιούργησε τα spacetime wave packets χρησιμοποιώντας μια συσκευή που είναι γνωστή ως διαμορφωτής χωρικού φωτός για την αναδιοργάνωση/αναδιάταξη της ενέργειας ενός παλμού φωτός, έτσι ώστε οι ιδιότητές του στον χώρο και στον χρόνο να μην είναι πλέον χωριστές. Αυτό επιτρέπει τον έλεγχο της «ομαδικής ταχύτητας» (group velocity) του παλμού, που είναι σε γενικές γραμμές η ταχύτητα στην οποία ταξιδεύει η κορύφωση του παλμού.
«Ο νέος αυτός τομέας που αναπτύσσουμε είναι ένα νέο concept για τις ακτίνες φωτός» είπε ο Αμπουραντί. «Ως αποτέλεσμα, οτιδήποτε εξετάσουμε χρησιμοποιώντας αυτές τις ακτίνες παρουσιάζει νέα συμπεριφορά. Όλη η συμπεριφορά που γνωρίζουμε για το φως λαμβάνει “σιωπηλά” υπόψιν μια υποκείμενη θεώρηση πως οι ιδιότητές του στον χώρο και στον χρόνο είναι ξεχωριστές. Οπότε όλα όσα ξέρουμε για την οπτική βασίζονται σε αυτό…εκλαμβάνεται ως η φυσική κατάσταση των πραγμάτων. Αλλά τώρα, “σπάζοντας” αυτή την υποκείμενο θεώρηση, αρχίζουμε να βλέπουμε νέες συμπεριφορές παντού».
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το US Office of Naval Research.
