«Η καθοδήγηση του φωτός με φως είναι πολύ δύσκολη, επειδή το φως συνήθως αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς με την ύλη», λέει ο Χάρι Άτγουοτερ του Caltech. Η παρατήρησή του συνοψίζει την πρόκληση που αντιμετώπισαν δύο ξεχωριστές ερευνητικές ομάδες: στο Caltech, επιστήμονες άλλαξαν τη γωνία μιας δέσμης μέσα σε 74 femtoseconds με μια οπτική μεταεπιφάνεια, ενώ διεθνής συνεργασία υπό το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Μαξ Πλανκ της Χαϊδελβέργης χρησιμοποίησε αέριο ηλίου ως δυναμικό φακό για παλμούς ακραίου υπεριώδους φωτός. Οι εργασίες δημοσιεύθηκαν στα Nature Nanotechnology και Science Advances αντίστοιχα.
- Η μέθοδος του Caltech άλλαξε τη γωνία της δέσμης σε 74 femtoseconds.
- Η μεταεπιφάνεια από άμορφο πυρίτιο πέτυχε εκτροπή έως 13 μοίρες.
- Η ομάδα του Μαξ Πλανκ διαμόρφωσε χωρικά και φασματικά παλμούς ακραίου υπεριώδους φωτός.
- Το πείραμα με ήλιο πραγματοποιήθηκε με παλμούς από το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων FLASH στο DESY του Αμβούργου.
Το Caltech χρησιμοποιεί το ίδιο το φως ως «τιμόνι»
Η ομάδα των Κλάουντιο Χολ και Χάρι Άτγουοτερ αντικατέστησε τις συμβατικές ηλεκτρονικές μεθόδους κατεύθυνσης με μια ισχυρή δέσμη άντλησης. Όταν αυτή ρυθμίστηκε ώστε να ταιριάζει με τα οπτικά χαρακτηριστικά του μέσου, μια δεύτερη, ασθενέστερη δέσμη ανίχνευσης εξήλθε υπό διαφορετική γωνία.
Το φαινόμενο βασίζεται στο οπτικό φαινόμενο Kerr: το έντονο φως μεταβάλλει προσωρινά τον δείκτη διάθλασης ενός υλικού και, κατά συνέπεια, την πορεία άλλου φωτός που περνά μέσα από αυτό. Ο δείκτης διάθλασης περιγράφει, σε γενικές γραμμές, πόσο επιβραδύνεται και κάμπτεται το φως σε ένα μέσο.
Για να ενισχύσουν την αλληλεπίδραση, οι ερευνητές τοποθέτησαν άμορφο πυρίτιο πάνω σε φύλλο νανοκλίμακας με πυλώνες μικρότερους από το μήκος κύματος της δέσμης άντλησης. Η διάταξη επιβράδυνε και ανακυκλοφόρησε το φως, επιτρέποντας εκτροπή έως 13 μοίρες.
«Με τις οπτικές μεταεπιφάνειες —εξαιρετικά λεπτά, προσεκτικά νανοσχεδιασμένα φύλλα— μπορούμε να αυξήσουμε την ισχύ της αλληλεπίδρασης και να το πετύχουμε με πολύ υψηλότερη απόδοση», εξηγεί ο Άτγουοτερ.
Τα 74 femtoseconds αντιστοιχούν σε 74 τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Σύμφωνα με την ομάδα, περαιτέρω βελτιώσεις θα μπορούσαν να μειώσουν ακόμη περισσότερο τον χρόνο διαμόρφωσης. Αυτό θα μπορούσε να έχει σημασία για συστήματα μετάδοσης πληροφοριών, επεξεργασία άνω του ενός δισεκατομμυρίου εικόνων ανά δευτερόλεπτο και αισθητήρες σε κινούμενα εναέρια ή θαλάσσια οχήματα· πρόκειται, ωστόσο, για πιθανές εφαρμογές και όχι για ήδη διαθέσιμα προϊόντα.
Το αέριο ηλίου μετατρέπεται σε δυναμικό φακό
Η δεύτερη ομάδα αντιμετώπισε ένα διαφορετικό πρόβλημα. Τα συνηθισμένα γυάλινα οπτικά εξαρτήματα μπορούν να εστιάζουν ή να διαχωρίζουν το ορατό φως, αλλά απορροφούν έντονα τα φωτόνια υψηλής ενέργειας του ακραίου υπεριώδους, γνωστού ως XUV. Αυτό περιορίζει τα διαθέσιμα εργαλεία για τον έλεγχο υπερβραχέων παλμών σε αυτό το φάσμα.
Οι ερευνητές εστίασαν παλμούς XUV υψηλής έντασης σε κυψελίδα με άτομα ηλίου. Η μέγιστη ενέργεια των φωτονίων ήταν 21,2 ηλεκτρονιοβόλτ, αντίστοιχη με τη θεμελιώδη ηλεκτρονική μετάπτωση 1s–2p του ηλίου.
Σε χαμηλότερη ένταση, το φως απορροφήθηκε κοντά στον ατομικό συντονισμό χωρίς να αλλάξει χωρικό σχήμα. Με υψηλότερη ένταση και μεγαλύτερη πίεση αερίου, η δέσμη εκτράπηκε από την αρχική της διαδρομή, ιδιαίτερα σε δύο ενέργειες λίγο κάτω και λίγο πάνω από την ενέργεια συντονισμού. Το αποτέλεσμα ήταν μια χαρακτηριστική διπλή κορυφή στο φάσμα.
«Τα άτομα λειτουργούν ουσιαστικά ως διαθλαστικό στοιχείο, όπως ένας φακός ή ένα πρίσμα», αναφέρει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Δρ Γιου Χε.
Ο διευθυντής του ινστιτούτου, καθηγητής Τόμας Πφάιφερ, σημειώνει ότι η διαδικασία δημιούργησε έναν χρονικά μεταβαλλόμενο φακό, ικανό να κατευθύνει και να διαμορφώνει τόσο τη δέσμη όσο και τη φασματική σύνθεσή της σε πολύ μικρές χρονικές κλίμακες.
Οι δύο τεχνικές υπηρετούν διαφορετικές ανάγκες
Οι δύο εργασίες δεν παρουσιάζουν την ίδια συσκευή. Το Caltech αξιοποιεί στερεά νανοδομημένη μεταεπιφάνεια και δύο φωτεινές δέσμες για υπερταχεία εκτροπή, ενώ η ομάδα του Μαξ Πλανκ χρησιμοποιεί τη μη γραμμική αλληλεπίδραση ισχυρών παλμών XUV με ατομικό αέριο.
Η κοινή αρχή είναι ότι ο έλεγχος του φωτός δεν γίνεται με τη μηχανική μετακίνηση ενός φακού, αλλά με μια εξαιρετικά γρήγορη μεταβολή των οπτικών ιδιοτήτων του μέσου. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι μελλοντικά οπτικά συστήματα θα μπορούσαν να κατευθύνουν ή να αναδιαμορφώνουν δέσμες χωρίς κινούμενα μέρη.
Για την τεχνική του αερίου, οι ερευνητές βλέπουν πιθανές εφαρμογές στη φασματοσκοπία, στη διαμόρφωση συνεκτικών παλμών XUV και ακτίνων Χ, στον έλεγχο χημικών αντιδράσεων και στην υπερταχεία κβαντική υπολογιστική σε ατομικές κλίμακες. Οι προοπτικές αυτές εξαρτώνται από την περαιτέρω ανάπτυξη των αντίστοιχων οπτικών στοιχείων.
Ποια από τις δύο προσεγγίσεις θεωρείτε πιο υποσχόμενη: τις νανοδομημένες μεταεπιφάνειες ή τους δυναμικούς φακούς αερίου;
