Μία νέα κατάσταση ύλης, μόρια που δεν είχε δει κανένας ποτέ στο παρελθόν, κατάφεραν να δημιουργήσουν επιστήμονες από το Harvard και το MIT, αμφισβητώντας τη συμβατική θεωρία γύρω από το φως και τις ιδιότητές του. Το επίτευγμά τους είναι ένα ακόμα βήμα προς την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών σε μεγάλη κλίμακα.
Μία ομάδα επιστημόνων, στο Κέντρο για Υπέρψυχρα Άτομα του Harvard-MIT, με επικεφαλής τον καθηγητή Φυσικής του Χάρβαρντ, Mikhail Lukin και τον καθηγητή Φυσικής του ΜΙΤ, Vladan Vuletic, κατάφερε να ενώσει φωτόνια μαζί, ώστε να δημιουργηθούν μόρια – μία κατάσταση της ύλης που, μέχρι πρόσφατα, ήταν καθαρά θεωρητική.
Η ανακάλυψη – που δημοσιεύτηκε στις 25 Σεπτεμβρίου, στο επιστημονικό περιοδικό Nature – έρχεται σε αντίθεση με δεκαετίες αποδεκτής γνώσης γύρω από τη φύση του φωτός. Τα φωτόνια έχουν από καιρό χαρακτηριστεί ως σωματίδια χωρίς μάζα τα οποία δεν αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο.
Για παράδειγμα, δύο ακτίνες λέιζερ δεν συγκρούονται, όταν συναντηθούν, απλά η μία περνά μέσα από την άλλη. Ωστόσο, τα «φωτονικά μόρια» που δημιούργησε η ομάδα των Lukin και Vuletic συμπεριφέρονται, σύμφωνα με τους ίδους, λιγότερο σαν ένα παραδοσιακό λέιζερ και περισσότερο σαν κάτι πολύ γνωστό στους φαν των ταινιών επιστημονικής φαντασίας: το φωτόσπαθο (lightsaber)!
Αυτό που έκαναν οι επιστήμονες ήταν να δημιουργήσουν έναν ειδικό τύπο μέσου, μέσα στο οποίο τα φωτόνια αλληλεπιδρούν. Και μάλιστα, τόσο έντονα, ώστε αρχίζουν να συμπεριφέρονται λες και έχουν μάζα και ενώνονται για να σχηματίσουν μόρια. Τέτοιου είδους φωτονική κατάσταση σύνδεσης έχει συζητηθεί, θεωρητικά, αλλά δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ, μέχρι σήμερα.
Πώς τα κατάφεραν
Για να αναγκάσουν τα – υπό κανονικές συνθήκες – μηδενικής μάζας φωτόνια να συνδεθούν το ένα με το άλλο, οι επιστήμονες άντλησαν άτομα ρουβιδίου σε ένα θάλαμο κενού και στη συνέχεια χρησιμοποίησαν λέιζερ, για να ρίξουν τη θερμοκρασία αυτού του ατομικού νέφους, σε μόλις μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας εξαιρετικά ασθενείς παλμούς λέιζερ, έριξαν ένα μεμονωμένο φωτόνιο στο νέφος ατόμων. Καθώς το φωτόνιο μπήκε στο νέφος ψυχρών ατόμων, επιβραδύνθηκε σημαντικά, αφού η ενέργειά του διέγειρε τα άτομα κατά μήκος της διαδρομής του.
Τα φωτόνια, μέχρι σήμερα, θεωρούνταν ότι δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, αλλά οι επιστήμονες δημιούργησαν “φωτονικά μόρια”
Αυτή η ενέργεια μεταβιβάστηκε από άτομο σε άτομο, αλλά, τελικά, βγήκε από το νέφος μαζί με το φωτόνιο, του οποίου η ταυτότητα διατηρήθηκε. Σε γενικές γραμμές, η διαδικασία είναι κάτι παρόμοιο με τη διάθλαση του φωτός σε ένα ποτήρι νερό.
Το φως εισέρχεται στο νερό, αφήνει μέρος της ενέργειάς του στο μέσο – στο οποίο υπάρχει σαν φως και ύλη σε συνδυασμό – αλλά, όταν βγαίνει, είναι ακόμα φως. Η διαφορά είναι ότι, στην περίπτωση του ειδικού μέσου που δημιούργησαν οι επιστήμονες, το φως επιβραδύνεται σημαντικά και μεταβιβάζει πολύ περισσότερη ενέργεια, από ό,τι κατά τη διάθλαση.
Όταν η ομάδα επιστημόνων έριξαν δύο φωτόνια στο νέφος, έμειναν έκπληκτοι, βλέποντάς τα να εξέρχονται μαζί, σαν ένα μεμονωμένο μόριο. Ένα μόριο που δεν είχε δει κανένας ποτέ ξανά στο παρελθόν!
Σύμφωνα με τους επικεφαλής καθηγητές, ο λόγος που σχηματίστηκε το μόριο είναι αποτέλεσμα του φαινομένου του «αποκλεισμού Rydberg», σύμφωνα με το οποίο, όταν ένα άτομο είναι διεγερμένο, τα κοντινά άτομα δεν μπορούν να διεγερθούν στον ίδιο βαθμό.
Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι, καθώς δύο φωτόνια εισέρχονται στο ατομικό νέφος, το πρώτο διεγείρει ένα άτομο, αλλά πρέπει να προχωρήσει μπροστά, πριν το δεύτερο μπορέσει να διεγείρει κοντινά άτομα.
Το αποτέλεσμα είναι τα δύο φωτόνια να απωθούν και να έλκουν το ένα το άλλο, μέσα στο νέφος, καθώς η ενέργειά τους μεταβιβάζεται από το ένα άτομο στο επόμενο. Πρόκειται για μία αλληλεπίδραση φωτονίων, για την οποία διαμεσολαβεί μία αλληλεπίδραση ατόμων. Έτσι, τα δύο φωτόνια συμπεριφέρονται σαν ένα μόριο και όταν βγαίνουν από το μέσο είναι πιθανό να το κάνουν σαν τέτοιο.
Οι πρακτικές εφαρμογές
Πέρα από την μοναδικότητά του, που το καθιστά ούτως ή άλλως σημαντικότατη επιστημονική εξέλιξη, το επίτευγμα της ομάδας των επιστημόνων του Χάρβαρντ και του ΜΙΤ, οι ίδιοι πιστεύουν ότι θα μπορούσε να έχει και κάποιες πρακτικές εφαρμογές.
Τα φωτόνια παραμένουν τα καλύτερα δυνατά μέσα που διαθέτει η επιστήμη για να μεταφέρει κβαντικές πληροφορίες. Το μειονέκτημα ήταν ότι τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Κάτι που, πλέον, φαίνεται ότι αλλάζει.
Για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή, οι ερευνητές χρειάζεται να κτίσουν ένα σύστημα που μπορεί να διατηρεί κβαντικές πληροφορίες και να τις επεξεργάζεται, χρησιμοποιώντας κβαντικές λογικές λειτουργίες.
Η πρόκληση είναι ότι η κβαντική λογική απαιτεί αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεμονωμένων κβάντων, ώστε τα κβαντικά συστήματα να ενεργοποιούνται για να εκτελούν τις λειτουργίες επεξεργασίας των πληροφοριών. Το νέο επίτευγμα αποδεικνύει ότι αυτή η αλληλεπίδραση είναι δυνατή.
Θα χρειαστεί να βελτιωθεί η απόδοση του ειδικού μέσου που δημιούργησαν οι επιστήμονες, πριν να μπορούμε να φτιάξουμε ένα πρακτικά χρήσιμο κβαντικό διακόπτη ή μία φωτονική λογική πύλη, αλλά έγινε ένα σημαντικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση.
Το νέο επίτευγμα θα μπορούσε να είναι η βάση για ένα σύστημα που μετατρέπει τα σήματα φωτός σε ηλεκτρικά σήματα – χρήσιμο στους κλασικούς υπολογιστές – ή να οδηγήσει στη δημιουργία ακόμη και κρυστάλλων, εξ ολοκλήρου από φως, υποστηρίζουν οι επιστήμονες. Προς το παρόν, συνεχίζουν να ερευνούν τις ιδιότητες των φωτονικών μορίων.
