Τι πραγματικά συμβαίνει μέσα σε ένα υλικό όταν το χτυπά ένας υπερβολικά σύντομος παλμός φωτός; Το ερώτημα αυτό απασχολεί εδώ και χρόνια τη φυσική της ύλης και τη σύγχρονη φωτονική. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics και καθοδηγήθηκε από το Politecnico di Milano ρίχνει φως σε μια μέχρι τώρα παραμελημένη, αλλά καθοριστική πτυχή: την ύπαρξη και τη δράση των λεγόμενων «εικονικών φορτίων». Πρόκειται για φορείς που δεν υφίστανται μόνιμα, αλλά δημιουργούνται στιγμιαία μόνο κατά την αλληλεπίδραση του φωτός με το υλικό, ασκώντας ωστόσο τεράστια επίδραση στην απόκρισή του.
Η ερευνητική ομάδα, σε συνεργασία με το University of Tsukuba, το Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter και το Institute of Photonics and Nanotechnology (Cnr-Ifn), μελέτησε την αντίδραση μονοκρυσταλλικών διαμαντιών όταν εκτέθηκαν σε παλμούς φωτός διάρκειας μερικών αττοδευτερολέπτων – δηλαδή δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Για το σκοπό αυτό αξιοποίησαν μια προηγμένη τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία μεταβατικής ανάκλασης κλίμακας αττοδευτερολέπτου, ικανή να αποτυπώνει φαινόμενα που συμβαίνουν σε χρονικές κλίμακες αδιανόητες για την καθημερινή εμπειρία.
Συνδυάζοντας τα πειραματικά δεδομένα με προηγμένες αριθμητικές προσομοιώσεις, οι επιστήμονες μπόρεσαν να απομονώσουν το φαινόμενο των «εικονικών κατακόρυφων μεταβάσεων» μεταξύ των ηλεκτρονικών ζωνών του υλικού. Ένα αποτέλεσμα που αλλάζει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε την αλληλεπίδραση φωτός και στερεάς ύλης, ακόμη και σε ακραίες συνθήκες που έως τώρα αποδίδονταν αποκλειστικά στη μετακίνηση πραγματικών φορτίων.
Ο καθηγητής Matteo Lucchini από το Τμήμα Φυσικής του Politecnico di Milano, κύριος συγγραφέας της μελέτης και συνεργάτης του CNR-Ifn, εξήγησε ότι «η διέγερση εικονικών φορέων, η οποία αναπτύσσεται σε μερικά δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, είναι απαραίτητη για να προβλέψουμε σωστά την ταχύτατη οπτική απόκριση στα στερεά». Με τη σειρά της, η ερευνήτρια Rocío Borrego Varillas από το CNR-Ifn τόνισε ότι «τα αποτελέσματα αυτά συνιστούν ένα καθοριστικό βήμα στην ανάπτυξη υπερ-γρήγορων τεχνολογιών στον τομέα των ηλεκτρονικών».
Η σημασία αυτής της ανακάλυψης ξεπερνά τα όρια της θεμελιώδους φυσικής. Ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία υπερταχέων οπτικών διατάξεων, όπως διακόπτες και διαμορφωτές, που θα μπορούν να λειτουργούν σε συχνότητες πεταχέρτζ (petahertz). Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ταχύτητες έως και χίλιες φορές μεγαλύτερες από εκείνες που μπορούν να προσφέρουν σήμερα οι καλύτερες ηλεκτρονικές συσκευές.
Η προοπτική τέτοιων συστημάτων υπόσχεται μια νέα εποχή στην τεχνολογία: υπολογιστές και επικοινωνίες με δυνατότητες που ξεπερνούν κάθε σημερινό όριο, εξαιρετικά γρήγορη επεξεργασία δεδομένων και εφαρμογές που σήμερα φαντάζουν επιστημονική φαντασία. Όμως, για να φτάσουμε εκεί, απαιτείται βαθιά κατανόηση όχι μόνο των πραγματικών φορτίων, που ήδη γνωρίζουμε καλά, αλλά και αυτών των εικονικών φορέων που μόλις τώρα αρχίζουμε να αποκαλύπτουμε.
Η μελέτη στα διαμάντια, υλικό γνωστό για τις μοναδικές του ιδιότητες διαφάνειας και σκληρότητας, απέδειξε ότι το φως μπορεί να «ξυπνήσει» αυτές τις κρυφές δυνάμεις σε χρονικές κλίμακες που μέχρι σήμερα θεωρούνταν απροσπέλαστες. Η ικανότητα να προβλέπουμε και να ελέγχουμε τέτοια φαινόμενα δίνει στους επιστήμονες το εργαλείο να σχεδιάσουν υλικά και συσκευές που θα ανταποκρίνονται σε ρυθμούς ασύλληπτους.
Δεν είναι τυχαίο ότι η έρευνα συγκέντρωσε τη συνεργασία κορυφαίων ιδρυμάτων από την Ευρώπη και την Ασία. Η φωτονική και η φυσική της ύλης βρίσκονται πλέον στην καρδιά της τεχνολογικής επανάστασης, προσφέροντας όχι απλώς καλύτερα αλλά εντελώς νέα είδη συσκευών. Η κατανόηση των εικονικών φορτίων ενδέχεται να αποτελέσει το χαμένο κομμάτι που θα επιτρέψει το άλμα από τα gigahertz και τα terahertz στις συχνότητες του petahertz.
Η ανακάλυψη αυτή δεν έρχεται να ακυρώσει όσα ξέρουμε για την ηλεκτρονική, αλλά να προσθέσει ένα νέο επίπεδο κατανόησης. Όπως τονίζουν οι ερευνητές, μόνο με την ενσωμάτωση τόσο των πραγματικών όσο και των εικονικών φορέων στην ανάλυση μπορούμε να σχεδιάσουμε τις συσκευές του μέλλοντος. Συσκευές που δεν θα περιορίζονται από τους φυσικούς φραγμούς που γνωρίζουμε σήμερα, αλλά θα λειτουργούν σε ρυθμούς που μέχρι πρόσφατα θεωρούσαμε αδύνατους.
[via]
