Καλλιτεχνική απεικόνιση των ατόμων ενός κβαντικού αερίου. Βαρελάς Τάκης / Κβαντικό Αέριο / Μικτή τεχνική σε χαρτί ματ 21cm X 25cm, 300 gr.Στο πρώτο μέρος αυτού του αφιερώματος εστιάσαμε στην ιστορική ανασκόπηση των θεωρητικών και πειραματικών εργασιών πάνω στα κβαντικά αέρια καθώς και σε μια συνοπτική παρουσίαση των βασικών τους ιδιοτήτων (εδώ). Στο δεύτερο μέρος αναφερθήκαμε στην πιο εντυπωσιακή εφαρμογή τους που είναι το ατομικό λέιζερ (εδώ). Σε αυτό το άρθρο θα αναφερθούμε στην Ατομική Οπτική, ένα επιστημονικό πεδίο που περιλαμβάνει φαινόμενα που μας είναι γνωστά από τις δέσμες φωτός στην συμβατική οπτική αλλά στα οποία, τώρα, εμπλέκονται δέσμες από υλικά κύματα. Θα συνιστούσαμε στον αναγνώστη να διαβάσει το πρώτο και δεύτερο μέρος αυτού του μεγάλου αφιερώματος ώστε να μπορεί να κατανοήσει καλύτερα το περιεχόμενο αυτού του άρθρου. ΑΤΟΜΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ
Το ατομικό «λέιζερ», στο οποίο αναφερθήκαμε στο δεύτερο άρθρο αυτής της σειράς, αποτελεί τον αποφασιστικό παράγοντα ανάπτυξης ενός νέου κλάδου της ατομικής φυσικής, αυτού της Ατομικής Οπτικής, ακριβώς με τον ίδιο τρόπο που το φως λέιζερ συνέβαλε πριν πέντε δεκαετίες στη ραγδαία εξέλιξη της Κβαντικής Οπτικής (Meystre, 2001). Πράγματι, ενώ στην οπτική (κλασική ή κβαντική) ασχολούμαστε με φαινόμενα στα οποία το φως, επηρεαζόμενο από την παρουσία ύλης, σκεδάζεται ή απορροφάται από αυτήν, στην Ατομική Οπτική έχουμε ακριβώς ανάλογα φαινόμενα όταν δέσμες ατόμων αλληλεπιδράσουν με το φως.
Στην Οπτική συναντούμε φαινόμενα, όπως η ανάκλαση και η διάθλαση, η περιγραφή των οποίων είναι εύκολα κατανοητή καταφεύγοντας σε μια απλή «γεωμετρική» εικόνα, όπου το φως περιγράφεται ως ένα σύνολο ακτινών και η εξαγωγή των νόμων που διέπουν αυτά τα φαινόμενα είναι δυνατή με χρήση απλών γνώσεων γεωμετρίας. Υπάρχουν όμως και φαινόμενα, όπως η περίθλαση ή η συμβολή κυμάτων, όπου εκεί πρέπει να ληφθεί υπόψη η κυματική φύση του φωτός για να καταλήξουμε σε μια σωστή περιγραφή τους. Παρόμοια είναι τα πράγματα και στην περίπτωση των ατόμων. Υπάρχουν φαινόμενα στην ατομική οπτική όπου η περιγραφή των ατόμων ως μια δέσμη από αυτά επαρκεί για την περιγραφή τους, σε αντίθεση με άλλα φαινόμενα, όπως η περίθλαση ατόμων, όπου πρέπει να υιοθετήσουμε την κβαντική εικόνα των υλικών κυμάτων ώστε να μπορούμε να τα ερμηνεύσουμε.
Η αναλογία της Οπτικής με την Ατομική Οπτική είναι τόσο εκπληκτική ώστε σήμερα είμαστε σε θέση να μιλάμε για «φακούς», «κάτοπτρα», «διαχωριστές» και «συμβολόμετρα» ατόμων. Στοιχεία, δηλαδή, τα οποία μπορούν και ανακλούν, διαθλούν, περιθλούν, εστιάζουν, διαχωρίζουν και οδηγούν σε συμβολή δέσμες ατόμων. Στη συνέχεια του άρθρου παρουσιάζουμε τα κυριότερα επιτεύγματα της Ατομικής Οπτικής.
ΑΝΑΚΛΑΣΗ & ΚΑΤΟΠΤΡΑ ΑΤΟΜΩΝ
Από την εργαλειοθήκη της Ατομικής Οπτικής αξίζει να αναφερθούμε στην αρχή λειτουργίας ενός ατομικού καθρέπτη (ή ατομικού κάτοπτρου) ο οποίος ανακλά δέσμες ατόμων σε πλήρη αναλογία με ένα συμβατικό καθρέπτη που ανακλά ακτίνες φωτός. Στην κατασκευή του αξιοποιούμε το φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης του φωτός (Εικ. 1). Πρόκειται για ένα φαινόμενο που εκδηλώνεται όταν μια δέσμη φωτός επιχειρήσει να διέλθει σε ένα υλικό στο οποίο το φως έχει μεγαλύτερη ταχύτητα (όπως για παράδειγμα από το γυαλί στον αέρα). Στην περίπτωση αυτή το φως, όπως γνωρίζουμε, υφίσταται διάθλαση και εξέρχεται στον κενό χώρο υπό μια γωνία μεγαλύτερη από την γωνία πρόσπτωσης. Όταν, όμως, η γωνία πρόσπτωσης υπερβαίνει μια τιμή, που εξαρτάται κάθε φορά από τα δύο οπτικά μέσα, η δέσμη δεν μπορεί να διέλθει από το γυαλί στο κενό και ανακλάται «ολικά» προς τα πίσω. Όμως υπάρχει μια πολύ σημαντική λεπτομέρεια: ένα μικρό ποσό της φωτεινής ενέργειας κατορθώνει και διαπερνά τη διαχωριστική επιφάνεια σχηματίζοντας ένα κύμα το οποίο στην κυριολεξία «έρπει» πάνω σε αυτήν. Πρόκειται για το λεγόμενο εξασθενούν κύμα (evanescent wave) το οποίο οφείλει την ονομασία του στο γεγονός πως όσο απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια η έντασή του εξασθενεί. Όταν, λοιπόν, μια δέσμη ατόμων κατευθυνθεί προς τη διαχωριστική επιφάνεια θα αλληλεπιδράσει με το εξασθενούν κύμα. Με κατάλληλη επιλογή των τιμών των εμπλεκόμενων παραμέτρων το εξασθενούν κύμα ασκεί μια απωστική δύναμη που το απομακρύνει από την επιφάνεια οδηγώντας το, κατ’ ουσία, σε ανάκλαση. Η διαχωριστική επιφάνεια δρα ως ένα ανακλαστικό κάτοπτρο για τα άτομα.
Εικόνα 1: Ένας ατομικός καθρέπτης. Η δέσμη λέιζερ διασχίζει το γυαλί και ανακλάται εσωτερικά στη διαχωριστική επιφάνεια με το κενό δημιουργώντας ταυτόχρονα ένα εξασθενούν κύμα από την πλευρά του κενού. Όταν μια δέσμη ατόμων κατευθυνθεί προς τη διαχωριστική επιφάνεια αλληλεπιδρά με το εξασθενούν κύμα με αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας απωστικής δύναμης. Η δύναμη αυτή ανακλά τη δέσμη των ατόμων.ΕΣΤΙΑΣΗ ΑΤΟΜΩΝ
Εκτός από κάτοπτρα ατόμων είναι δυνατή και η κατασκευή «φακών» για άτομα. Όπως γνωρίζουμε από την οπτική με τους φακούς εστιάζουμε τις ακτίνες του φωτός. Η λειτουργία ενός φακού οφείλεται στη διάθλαση που υφίστανται οι ακτίνες όταν διέρχονται από αυτόν. Κατά έναν εντελώς ανάλογο τρόπο, στην ατομική οπτική μπορούμε να «εστιάσουμε» δέσμες ατόμων. Με τον όρο εστίαση εννοούμε τον περιορισμό («στένεμα») του εύρους μια δέσμης ατόμων. Για να γίνει δυνατή η εστίαση απαιτείται η αλληλεπίδραση των ατόμων με δέσμες φωτός λέιζερ με τέτοιο τρόπο ώστε η δύναμη που ασκείται στα άτομα να έχει συνεχώς διεύθυνση εγκάρσια προς τον άξονα διάδοσης της δέσμης ατόμων, όπως φαίνεται και στην Εικ. 2., ώστε αφενός να επιβραδύνει την κίνηση των ατόμων σε αυτή τη διεύθυνση και αφετέρου να τα περιορίζει κοντά στην περιοχή του άξονα.
Εικόνα 2: Εστίαση δέσμης ατόμων. Μετά τις διαδοχικές ανακλάσεις σε κάτοπτρα οι δέσμες λέιζερ κατευθύνονται προς τα άτομα σε διεύθυνση εγκάρσια ως προς τον άξονα της ατομικής δέσμης. Τα άτομα λόγω της αλληλεπίδρασής τους με τις δέσμες λέιζερ δέχονται δυνάμεις που επιβραδύνουν τις εγκάρσιες συνιστώσες της ταχύτητας με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας δέσμης ατόμων «εστιασμένης» όπου τα άτομα κινούνται παράλληλα προς την οριζόντια διεύθυνση.Τα πρώτα πειράματα για την εστίαση ατομικών δεσμών πραγματοποιήθηκαν ήδη από τη δεκαετία του ’70 όταν οι ερευνητές κατόρθωσαν να περιορίσουν το εγκάρσιο εύρος μιας δέσμης ατόμων νατρίου στα τριάντα εκατομμυριοστά του μέτρου (30 μm) (Bjorkholm et al, 1978).
ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ ΑΤΟΜΩΝ
Συνήθως σε ένα μάθημα οπτικής μετά την μελέτη της ανάκλασης και της διάθλασης περνάμε στην περίθλαση. Με τον όρο περίθλαση εννοούμε την εκτροπή της πορείας ενός κύματος όταν αυτό συναντήσει εμπόδια ή «περάσματα» των οποίων οι διαστάσεις είναι συγκρίσιμες με το μήκος του κύματος. Η περίθλαση των κυμάτων είναι πολύ οικείο φαινόμενο τόσο στην οπτική όσο και στην ακουστική. Για παράδειγμα, σε αυτήν οφείλεται η εμφάνιση των χρωμάτων της ίριδας όταν λευκό φως προσπέσει πάνω σε ένα CD ή το γεγονός πως μπορούμε και ακούμε τη φωνή κάποιου που βρίσκεται σε ένα σημείο του χώρου με το οποίο δεν έχουμε οπτική επαφή. Η περίθλαση είναι παρούσα και στα υλικά κύματα.
Η περίθλαση σωματιδίων είναι μια αρκετά παλιά ιστορία στο χώρο της φυσικής. Το 1930 οι I. Estermann και O. Stern παρατήρησαν την περίθλαση μορίων ηλίου όταν μια δέσμη από αυτά προσέπεσε πάνω σε επιφάνεια από φθοριούχο λίθιο (Estermann & Stern, 1930). Το 1933 οι P. Kapitza και P. A. M. Dirac προέβλεψαν την περίθλαση μιας δέσμης ηλεκτρονίων όταν αυτή διασχίσει ένα στάσιμο οπτικό κύμα (Kapitza & Dirac, 1933). Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε το 1965 (Bartell et al, 1965), ενώ ένα χρόνο μετά, το 1966, διατυπώθηκε η άποψη πως κάτι αντίστοιχο μπορεί να παρατηρηθεί και με ατομικά σωματίδια (Altschuler et al, 1966) με την αξιοσημείωτη επισήμανση πως το φαινόμενο θα είναι πιο έντονο, από την περίπτωση των ηλεκτρονίων, όταν υπάρχει συντονισμένη απορρόφηση φωτός από τα άτομα. Τα πρώτα πειράματα στα οποία παρατηρήθηκε το φαινόμενο της περίθλασης ατόμων έγιναν από την ερευνητική ομάδα του D. Pritchard (Keith et al, 1988). Σε αυτά τα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν τεχνητές νανοδομές στις οποίες η απόσταση των σχισμών μεταξύ τους ήταν περίπου διακόσια δισεκατομμυριοστά του μέτρου (200 nm) ενώ το εύρος τους ήταν περίπου εκατό δισεκατομμυριοστά του μέτρου (100 nm). Τα άτομα είχαν τη μορφή δέσμης με υπερηχητικές ταχύτητες. Τα πειράματα αυτού του είδους έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη έρευνα γιατί έχουν επεκταθεί και σε μόρια, όπως, για παράδειγμα, μόρια C60 (φουλερένια) από την ερευνητική ομάδα του Α. Zeilinger στη Βιέννη (Arndt et al, 1999). Με αυτόν τον τρόπο έχει γίνει προσπάθεια να ερευνηθούν τα όρια ανάμεσα στην ισχύ της κβαντικής και της κλασικής συμπεριφοράς, δηλαδή σε ποιο σημείο η σωματιδιακή (κλασική) φύση αναδύεται μέσα από την κυματική (κβαντική).
Tα στάσιμα οπτικά κύματα αποτελούν ιδανικά φράγματα περίθλασης για τα ατομικά κύματα (Εικ. 3). Ένα στάσιμο κύμα δημιουργείται από δύο παρόμοια κύματα που διαδίδονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Τα άτομα, όταν αλληλεπιδρούν για μικρό χρονικό διάστημα με το στάσιμο κύμα, ανταλλάσσουν ορμή με τα φωτόνια των δύο δεσμών που συνιστούν το στάσιμο κύμα με αποτέλεσμα, όπως φαίνεται στην Εικ. 3, να εκτρέπονται προς τη μια ή την άλλη διεύθυνση. Το κύμα de Broglie που αντιστοιχεί σε ένα άτομο κατά την αλληλεπίδραση με το στάσιμο κύμα «σπάει» (περιθλάται) σε δύο κύματα de Broglie που διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Είναι προφανές πως αυτό το φαινόμενο λαμβάνει χώρα στα σημεία που το στάσιμο κύμα έχει μέγιστη ένταση (κοιλίες) καθώς εκεί η πιθανότητα αλληλεπίδρασης του φωτός με το άτομο είναι μέγιστη.
H περίθλαση υλικών κυμάτων παρουσιάζει και μια ιδιαίτερη πτυχή που δεν είναι παρούσα στην περίθλαση του φωτός και εν γένει των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Πρόκειται για την περίθλαση στον χρόνο, δηλαδή για την περίθλαση που εμφανίζεται όταν τα περιθλαστικά στοιχεία (οι οπές, οι σχισμές και το φως) έχουν χρονικά εξαρτώμενα χαρακτηριστικά, όπως, για παράδειγμα, χρονικά μεταβαλλόμενο εύρος ή ένταση. Το φαινόμενο αυτό επιδείχθηκε για πρώτη φορά πειραματικά με ψυχρά νετρόνια που προσέπεσαν πάνω σε ταλαντούμενα κάτοπτρα (Hamilton et al, 1987) και στη συνέχεια με άτομα κεσίου τα οποία ανακλάστηκαν πάνω σε ατομικούς καθρέπτες όπου το εξασθενούν κύμα που προκάλεσε την ανάκλαση είχε παλμικό χαρακτήρα, δηλαδή ενεργοποιούνταν και απενεργοποιούνταν περιοδικά με το χρόνο (Steane et al, 1995).
Εικόνα 3: Περίθλαση μιας ατομικής δέσμης που διέρχεται μέσα από ένα στάσιμο οπτικό κύμα.ΑΤΟΜΙΚΗ ΛΙΘΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ ΟΛΟΓΡΑΦΙΑ
Μια σημαντική χρήση του ατομικού «λέιζερ» είναι η ατομική λιθογραφία, η κατασκευή, δηλαδή, τεχνολογικών εφαρμογών με διαστάσεις ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου (1 nm). Πρόκειται για μια κλίμακα εκατό φορές μικρότερη από τις σημερινές δυνατότητες της νανοτεχνολογίας (Keith et al, 1988). Λιθογραφία είναι η παλαιά τεχνική από τον χώρο των εκτυπώσεων, στην οποία μια επιφάνεια επιστρωνόταν με στρώματα υλικού διαφορετικού πάχους και σε διάφορα σχήματα. Στην φωτολιθογραφία το φως καθορίζει που θα αποτεθεί η ύλη. Η μέθοδος μοιάζει με την διαδικασία εμφάνισης φωτογραφιών, όπου φωτοευαίσθητα στρώματα προσβάλλονται από δέσμες φωτός του επιθυμητού σχήματος. Η παρουσία, όμως, φαινομένων περίθλασης δυσχεραίνει την απεικόνιση λεπτομερειών με διαστάσεις μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός (περίπου 500 δισεκατομμυριοστά του μέτρου, 500 nm) (Boto et al, 2000). Η λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να καταφύγουμε στην διαδικασία επίστρωσης της επιφάνειας με άτομα. Αυτό γίνεται γιατί το μήκος κύματος de Broglie που αντιστοιχεί σε ένα άτομο είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός οπότε η χρήση ενός ατομικού λέιζερ μπορεί να μας δώσει πολύ υψηλότερη ευκρίνεια στην απεικόνιση λεπτομερειών. Tο 1995 έγινε το πρώτο πείραμα ατομικής λιθογραφίας με άτομα του στοιχείου αργού (Berggren et al, 1995). Στη συνέχεια οι ερευνητές προσανατολίστηκαν στα άτομα χρωμίου των οποίων μπορούμε εύκολα να χειριστούμε την κίνηση με χρήση φωτός λέιζερ και επιπλέον είναι ανθεκτικά στη διάβρωση
Κλείνουμε αυτήν την παράγραφο με μια άλλη, άξια αναφοράς, εφαρμογή: την Ατομική Ολογραφία. Όπως η συμβατική ολογραφία χρησιμοποιεί την συμβολή φωτός για την κατασκευή μιας τρισδιάστατης απεικόνισης ενός αντικειμένου έτσι και η Ατομική Ολογραφία χρησιμοποιεί το φαινόμενο της συμβολής δεσμών ατόμων για να κάνει την ίδια δουλειά. Η Ατομική Ολογραφία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πολύπλοκων σχεδίων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, διαστάσεων λίγων δισεκατομμυριοστών του μέτρου, πάνω σε ημιαγωγούς. Το πρώτο ατομικό ολόγραμμα κατασκευάστηκε από την ερευνητική ομάδα του F. Shimuzu το 1996 στο Τόκιο, σε συνεργασία με την ομάδα του J. Fujita του ερευνητικού κέντρου της NEC (Fujita al, 2000).
ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΩΝ
Εξέχουσα θέση ανάμεσα στα επιτεύγματα της Ατομικής Οπτικής κατέχει η συμβολομετρία ατόμων. ‘Ενα συμβατικό οπτικό συμβολόμετρο είναι μια διάταξη με την οποία διαχωρίζουμε μια δέσμη φωτός σε δύο δέσμες και στην συνέχεια, αφού οι δέσμες ακολουθήσουν διαφορετικές διαδρομές, τις οδηγούμε σε συμβολή. Από τα χαρακτηριστικά που έχει το φως που προκύπτει από τη συμβολή εξάγουμε πολύτιμες πληροφορίες για τις φυσικές ιδιότητες της αρχικής δέσμης.
Σε ένα ατομικό συμβολόμετρο διαχωρίζουμε σε δύο μέρη ένα κβαντικό αέριο (Εικ. 4). Τα δύο κβαντικά αέρια που προκύπτουν, αφού ακολουθήσουν διαφορετικές διαδρομές, έρχονται σε συμβολή. Το φάσμα συμβολής που προκύπτει μας πληροφορεί για τις φυσικές ιδιότητες του κβαντικού αερίου (Cohen-Tannoudji & Guéry-Odelin, 2011). H συμβολομετρία ατόμων είναι πλέον η κατ’ εξοχήν τεχνική για την κατασκευή αισθητήρων που ανιχνεύουν απειροελάχιστες μεταβολές στην ένταση βαρυτικών πεδίων (Stray et al, 2022). Αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να αξιοποιηθούν στην γαιωδαισία, την ανίχνευση κοιτασμάτων νερού (και ως «αποτύπωμα» της κλιματικής αλλαγής), πετρελαίου και φυσικού αερίου, τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του εδάφους, και την αρχαιολογία.
Εικόνα 4: Ένα πείραμα συμβολής με συμπυκνώματα Bose-Einstein. Ένα συμπύκνωμα επιταχύνεται από τη βαρύτητα και αποκτά επιμήκη μορφή. Στη συνέχεια, διαχωρίζεται από μια δέσμη λέιζερ σε δύο μέρη. Μετά από χρόνο 40 ms τα δύο μέρη συμβάλλουν μερικώς. Στην περιοχή της συμβολής εμφανίζονται κροσσοί συμβολής από υλικά κύματα.Η συμβολομετρία ατόμων είναι ένα πανίσχυρο εργαλείο για την μελέτη της βαρύτητας. Σύμφωνα με την αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν δεν είναι δυνατόν να διακρίνουμε ένα επιταχυνόμενο σύστημα αναφοράς από ένα βαρυτικό πεδίο. Κατά συνέπεια, κάθε διαταραχή που προκαλείται από μια τυχαία αιτία (για παράδειγμα το πέρασμα ενός αυτοκινήτου κοντά στην περιοχή εκτέλεσης του πειράματος) μπορεί να ερμηνευθεί ως μια τοπική μεταβολή στο βαρυτικό πεδίο. Τα ατομικά συμβολόμετρα, με την εξαιρετική ευαισθησία τους, μάς βοηθούν στην «απομόνωση» των μεταβολών που οφείλονται στα βαρυτικά πεδία. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν πειράματα που προσπαθούν να διερευνήσουν ένα από τα «ιερά δισκοπότηρα» της σύγχρονης φυσικής που είναι η κβάντωση της βαρύτητας. Ως τέτοια αξίζει να αναφέρουμε ένα πρόσφατο πείραμα όπου ο διαχωρισμός και η συμβολή δεσμών από άτομα ρουβιδίου μέσα σε ένα θάλαμο κενού ύψους δέκα μέτρων ανέδειξε την ύπαρξη ενός φαινομένου Bohm–Aharonov που προκαλείται από την βαρύτητα (Overstreet et al, 2022) καθώς και η πρόταση να αξιοποιηθούν ατομικά συμβολόμετρα για τη διερεύνηση του φαινόμενου της κβαντικής διεμπλοκής (quantum entanglement) ανάμεσα σε σωματίδια που φέρουν μάζα και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω της βαρυτικής δύναμης (Carney et al, 2021)
ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ
Oι αναλογίες της ατομική οπτικής με την συμβατική οπτική δεν σταματούν εδώ. Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες με την ανάπτυξη ισχυρών δεσμών λέιζερ έχει αναπτυχθεί ο κλάδος της Μη-Γραμμικής Οπτικής. Οι πειραματικές εφαρμογές αφορούν, κυρίως, την αλληλεπίδραση ισχυρών δεσμών λέιζερ με διαφανείς κρυστάλλους. Από τις αλληλεπιδράσεις αυτές γεννιούνται νέα φαινόμενα άγνωστα μέχρι πρότινος στη συμβατική γραμμική οπτική.
Στην περίπτωση των υλικών κυμάτων αναπτύσσονται αλληλεπιδράσεις, ισχυρές ή ασθενείς, μεταξύ των ατόμων. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές είναι υπεύθυνες για την εμφάνιση μη γραμμικών φαινομένων. Σε μαθηματικό επίπεδο αυτό σημαίνει πως κατά τη θεωρητική ανάλυση ανακύπτουν μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις όπως η περίφημη διαφορική εξίσωση Gross–Pitaevski. Το 1993 η ερευνητική ομάδα του P. Meystre στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα προχώρησε σε ένα νέο είδος πειραμάτων στα οποία η αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων σε μια ατομική δέσμη έπαιζε πολύ σημαντικό ρόλο (Lenz et al, 1993). Αυτά τα πειράματα οδήγησαν στην γέννηση ενός νέου ερευνητικού κλάδου της Μη-Γραμμικής Aτομικής Οπτικής, στην οποία συναντούμε ανάλογα φαινόμενα με αυτά της συμβατικής Μη-Γραμμικής Οπτικής, όπως για παράδειγμα η μίξη τεσσάρων ατομικών κυμάτων (Trippenbach et all, 1998).
Ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον φαινόμενο της Μη-Γραμμικής Ατομικής Οπτικής είναι τα ατομικά σολιτόνια (Khaykovich et al, 2002). Στην κυματική φυσική, από το 1834 που ο Σκωτσέζος μηχανικός J. S. Russell τα παρατήρησε σε ένα αρδευτικό κανάλι, είναι γνωστή η ύπαρξη των σολιτονίων ή «μοναχικών κυμάτων». Τα σολιτόνια είναι οδεύοντα μηχανικά ή ηλεκτρομαγνητικά κύματα τα οποία διαδίδονται χωρίς να τα επηρεάζει το φαινόμενο της διασποράς, χωρίς δηλαδή να αλλοιώνεται η μορφή τους εξαιτίας της αλληλεπίδρασής τους με το μέσο διάδοσης (Πνευματικός, 1992). Οι πιο σημαντικοί τομείς εφαρμογών των σολιτονίων απαντώνται στις επαφές Josephson μεταξύ υπεραγώγιμων υλικών και στις οπτικές ίνες. Τα ατομικά σολιτόνια είναι το αντίστοιχο φαινόμενο στο χώρο της Ατομικής Οπτικής και δεν είναι τίποτε άλλο από υλικά κύματα de Broglie τα οποία διαδίδονται χωρίς παραμόρφωση, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό γιατί στο μέλλον θα μπορούσε να μας οδηγήσει σε διάδοση δεσμών ατομικού «λέιζερ» απαλλαγμένη εντελώς από το φαινόμενο της διασποράς. Θα μπορούσατε να αναρωτηθείτε που είναι το ενδιαφέρον. Η απάντηση είναι πολύ απλή αλλά με εκπληκτικές συνέπειες γιατί άπτεται του πιο κρίσιμου ζητήματος στις τηλεπικοινωνίες: αναλλοίωτη διάδοση σημαίνει, πρακτικά, μηδενισμός των απωλειών σε πληροφορία.
ΑΤΟΜΟΔΗΓΟΙ
Η κοινωνία σήμερα είναι εξοικειωμένη με την χρήση των οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες δεν είναι παρά κυματοδηγοί (waveguides) που αλλάζουν την διεύθυνση κίνησης του φωτός κατά βούληση. Ένας παρατηρητικός αναγνώστης θα μπορούσε να θέσει το εξής ερώτημα: μπορεί η διεύθυνση της κίνησης μιας ατομικής δέσμης να μεταβληθεί κατά βούληση; Η απάντηση είναι ναι. Οι ερευνητές έχουν ήδη αναπτύξει θεωρητικά και πειραματικά μοντέλα για την κατασκευή των λεγόμενων ατομοδηγών (atom guides). Οι ατομοδηγοί δεν είναι τίποτα άλλο από κυλινδρικές ή ορθογώνιες δομές από αγώγιμα ή διηλεκτρικά υλικά μέσα στα οποία αναπτύσσονται κατάλληλα ηλεκτρομαγνητικά πεδία ικανά να ελέγχουν και να ρυθμίζουν την κίνηση μιας ατομικής δέσμης (Salières et al, 1999). Ήδη από την προηγούμενη δεκαετία κατασκευάστηκαν τέτοιες διατάξεις που μπορούν να καθοδηγούν άτομα πάνω σε ένα τσιπ ανοίγωντας έτσι τον δρόμο για την Ολοκληρωμένη Ατομική Οπτική (Colombe et al, 2007).ΕΠΙΛΟΓΟΣ
H Ατομική Οπτική είναι ένα πεδίο ποικίλων και διαφορετικών εφαρμογών στη βάση των οποίων απαντώνται ακριβώς αντίστοιχα φαινόμενα με αυτά της Οπτικής. Η εμφάνιση των κβαντικών αερίων διεύρυνε τους ορίζοντες αυτού του πεδίου με την ανάδυση νέων φυσικών φαινομένων που δύσκολα θα μπορούσε να προβλέψει κάποιος. Από την άποψη της φυσικής πρόκειται για έναν θρίαμβο της Κβαντικής Μηχανικής. Από την άποψη των εφαρμογών, πολλά από τα φαινόμενα που αναφέραμε αναμένεται να αποτελέσουν τις βάσεις των νέων κβαντικών τεχνολογιών που ήδη έχουν αρχίσει και εμφανίζονται. Το αφιέρωμά μας στα κβαντικά αέρια θα ολοκληρωθεί στο επόμενο άρθρο όπου θα παρουσιάσουμε μερικές εξωτικές εφαρμογές τους.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Η κεντρική εικόνα του άρθρου αποτελεί καλλιτεχνική προσαρμογή εικόνας από το σύνδεσμο https://medium.com/predict/quantum-entanglement-gets-hot-messy-5745ea736433. Η προσαρμογή έγινε από τον ζωγράφο Παναγιώτη (Τάκη) Βαρελά, μέλος του ΔΣ του Εθνικού Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης (ως εκπρόσωπος του Επιμελητήριου Εικαστικών Τεχνών Ελλάδας). Η συντακτική επιτροπή του InS ευχαριστεί τον κ. Βαρελά για την προσφορά του. Η εικόνα αναπαριστά τα άτομα ενός κβαντικού αερίου.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Πνευματικός, Σ., 1993. ΣΟΛΙΤΟΝΙΑ: Τα μοναχικά κύματα. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.
Altshuler, S., Frantz, L., M., and Braunstein, R., 1966. Reflection of Atoms from Standing Light Waves. Phys. Rev. Lett. 17, 231-232. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.17.231
Arndt, M., Nairz, O., Voss-Andreae, J., Keller, C., van der Zouw, G., and Zeilinger, A., 1999. Wave-particle duality of C60. Nature 401, 680-682. https://doi.org/10.1038/44348
Bartell, L., S., Thompson, H., B., and Roskos, R., R., 1965. Observation of Stimulated Compton Scattering of Electrons by Laser Beam. Phys. Rev. Lett. 14, 851-852. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.14.851
Berggren, K., K., Bard, A., Wilbur, J., L., Gillapsy, J., D., Helg, A., G., McClelland, J., J., Rolston, S., L., Phillips, W., D., Prentiss, M., Whitesides, G., M., 1995. Microlithography by using neutral metastable atoms and self-assembled monolayers, Science 269(5228), 1255–1257. DOI: 10.1126/science.7652572
Bjorkholm, J., E., Freeman, R., R., Ashkin, A., and Pearson, D., B., 1978. Observation of Focusing of Neutral Atoms by the Dipole Forces of Resonance-Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 41, 1361-1364. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.41.1361
Boto, A., N., Kok, P., Abrams, D., S., Braunstein, S., L., Williams, C., P., and Dowling, J., P., 2000. Quantum Interferometric Optical Lithography: Exploiting Entanglement to Beat the Diffraction Limit. Phys. Rev. Lett. 85, 2733-2736. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.2733
Carney, D., Müller, H., and Taylor J. M., 2021. Using an Atom Interferometer to Infer Gravitational Entanglement Generation, PRX Quantum 2, 030330. DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.030330
Cohen-Tannoudji, C., and Guéry-Odelin, D., 2011. ADVANCES IN ATOMIC PHYSICS: An overview. New Jersey, USA. World Scientific.
Colombe, Y., Steinmetz, T., Dubois, G., Linke, F., Hunger, D., and Reichel, J., 2007. Strong atom-field coupling for Bose-Einstein condensates in an optical cavity on a chip. Nature 450, 272-276. 10.1038/nature06331
Estermann, I., and Stern, O., 1930. Beugung von Molekularstrahlen. Zeitschrift für Physik 61, 95-125. https://link.springer.com/article/10.1007/BF01340293
Fujita, J., Mitake, S., and Shimizu, F., 2000. Interferometric Modulation of an Atomic Beam by an Electric Field: A Phase Hologram for Atoms. Phys. Rev. Lett. 84, 4027-4030. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.4027
Hamilton, W., A., Klein, A., G., Opat, G., I., and Timmins, P., A., 1987. Neutron-diffraction by surface acoustic-waves. Phys. Rev. Lett. 58(26), 2770–2773. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.58.2770
Kapitza, P., L., and Dirac, P., A., M., 1933. The reflection of electrons from standing waves. Proc. Cambridge Phil. Soc. 29, 297-300. 10.1017/S030500410001110
Keith, D., W., Schattenburg, M. L., Smith, H., I., and Pritchard, D., E., 1988. Diffraction of Atoms by a Transmission Grating. Phys. Rev. Lett. 61, 515-518. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.1580
Khaykovich, L., Schreck, F., Ferrari, G., Bourdel, T., Cubizolles, J., Carr, L., Castin, Y., and Salomon, C., 2002. Formation of a Matter-Wave Bright Soliton. Science 296, 1290-1293. https://doi.org/10.1126/science.1071021
Lenz, G., Meystre, P., and Wright, E., M., 1993. Nonlinear atom optics. Phys. Rev. Lett. 71, 3271-3274. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.3271
Meystre, P., 2001. Atom Optics, New York, USA. Springer-Verlag. https://link.springer.com/gp/book/97803879
Overstreet, C., Asenbaum, P., Curti, J., Kim, M., and Kasevich, M., A., 2022. Observation of a gravitational Aharonov-Bohm effect. Nature 375, Issue 6577, 226-229. DOI: 10.1126/science.abl7152
Salières, P., L’Huillier, A., Antoine, P., and Lewenstein, M., 1999. Study of the Spatial and Temporal Coherence of High-Order Harmonics,Nonlinear atom optics. Adv. At. Mol. Opt. Phys. 41, 83-142. https://doi.org/10.1016/S1049-250X(08)60219-0
Steane, A., Szriftgiser, P., Desbiolles, P., and Dalibard, J., 1995. Phase modulation of atomic de de Broglie Waves. Phys. Rev. Lett. 74, 4972-4975. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.4972
Stray, B., Lamb, A., Kaushik, A., Vovrosh, J., Rodgers, A., Winch, J., Hayati, F., Boddice, D., Stabrawa, A., Niggebaum, A., Langlois, M., Lien, Y.-H., Lellouch, S., Roshanmanesh, S., Ridley, K., de Villers, G., Brown, G., Cross, T., Tuckwell, G., Faramarzi, A., Metje, N., Bongs, K., and Holynski, M., 2022. Quantum sensing for gravity cartography. Nature 602, 590–594. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04315-3
Trippenbach, M., Band, Y., B., and Julienne, P., S., 1998. Four wave mixing in the scattering of Bose-Einstein condensates. OPTICS EXPRESS 3, 530-537. https://doi.org/10.1364/OE.3.000530
