© Απαγορεύεται από το δίκαιο της Πνευμ. Ιδιοκτησίας η καθ΄οιονδήποτε τρόπο παράνομη χρήση/ιδιοποίηση του παρόντος, με βαρύτατες αστικές και ποινικές κυρώσεις για τον παραβάτη
Πριν από λίγες μέρες ο Μπεν Γιούεν και η Άντζελα Δημητριάδου, επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ στη Βρετανία δημιούργησαν την πρώτη εικόνα ενός φωτονίου, ενός σωματιδίου φωτός σε σχήμα λεμονιού που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός νανοσωματιδίου ανοίγοντας νέους δρόμους στη Φυσική.
Η θεωρία που κατέστησε δυνατή αυτή την εικόνα δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Physical Review Letters» επιτρέπει στους επιστήμονες να υπολογίσουν και να κατανοήσουν διάφορες ιδιότητες αυτών των κβαντικών σωματιδίων που θα μπορούσαν να ανοίξουν μια σειρά από νέες δυνατότητες σε πεδία όπως ο κβαντικός υπολογισμός, οι φωτοβολταϊκές συσκευές και τεχνητή φωτοσύνθεση.
Η κυπριακής καταγωγής καθηγήτρια θεωρητικής νανοφωτονικής μιλά στο Naftemporiki.gr για το επίτευγμα αυτό και την σημασία που έχει για τον επιστημονικό της κλάδο.
Πώς καταλήξατε στην απόφαση να πραγματοποιήσετε αυτή την έρευνα που οδήγησε στη πρώτη εικόνα ενός φωτονίου;
Θέσαμε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα προς επίλυση για νανοφωτονικές συσκευές που αλληλεπιδρούν με την κβαντική ύλη. Το πρόβλημα που προσπαθούσαμε να λύσουμε ήταν να δημιουργήσουμε μια νέα θεωρητική μέθοδο για τον κβαντισμό ανοιχτών νανοφωτονικών συστημάτων σε συνδυασμό με κβαντικούς εκπομπούς. Ενώ η κβαντοποίηση των κλειστών κοιλοτήτων και του ελεύθερου χώρου είναι καλά κατανοητή, η πρόκληση αφορά τον τρόπο προσέγγισης των ανοιχτών συστημάτων (όπως τα σφαιρικά σωματίδια στον αέρα σε συνδυασμό με κβαντικούς εκπομπούς). Τέτοια ανοιχτά συστήματα μπορούν να υποστηρίξουν τοπικούς τρόπους λειτουργίας που ορίζονται από τη γεωμετρία του νανοφωτονικού συστήματος, αλλά μπορούν επίσης να ακτινοβολούν αποτελεσματικά μακριά. Αυτή ακριβώς η ιδιότητα ακτινοβολίας είναι που καθιστά τόσο δύσκολο τον κβαντισμό των ανοιχτών συστημάτων. Μέχρι στιγμής, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν κυρίως φαινομενολογικές μεθόδους, οι οποίες συχνά λαμβάνουν σημαντικές υποθέσεις. Ενώ η μέθοδός μας είναι αυστηρή και ακριβής.
Η λύση μας είναι ιδιαίτερα επίκαιρη δεδομένης της πρόσφατης πειραματικής εργασίας με ανοιχτά νανοφωτονικά περιβάλλοντα και μας επιτρέπει να λύσουμε την κβαντική δυναμική του συστήματος. Επιλύοντας αυτό το περίπλοκο πρόβλημα, εξάγουμε την κυματοσυνάρτηση του φωτονίου με ακριβή και αυστηρό τρόπο, επιτρέποντάς μας να υπολογίσουμε την προσδοκώμενη τιμή της έντασης του πεδίου – την πιθανότητα εύρεσης ενός φωτονίου σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου. Αυτό είναι ανάλογο με το τετράγωνο συντελεστή της κυματοσυνάρτησης φωτονίου και είναι αυτό που φαίνεται στην εικόνα που κυκλοφορεί στο Dιαδίκτυο. Με πιο απλά λόγια, αυτό είναι το «σχήμα» του φωτονίου!
Η κυματοσυνάρτηση του φωτονίου εξαρτάται από το σχήμα και το υλικό του νανοφωτονικού περιβάλλοντος, καθώς και από τη συχνότητα φωτονίων που εκπέμπεται από τον κβαντικό πομπό. Η παράγωγή μας λαμβάνει υπόψη όλους αυτούς τους παράγοντες, πράγμα που σημαίνει ότι οι παραγόμενοι τύποι παραμένουν της ίδιας μορφής για διαφορετικά νανοφωτονικά περιβάλλοντα. Η εικόνα δείχνει το «σχήμα» του φωτονίου (ή την αναμενόμενη τιμή της έντασής του) για ένα σφαιρικό νανοσωματίδιο πυριτίου με έναν κβαντικό εκπομπό στην επιφάνειά του, με αποτέλεσμα το περίπου σφαιρικό σχήμα του φωτονίου. Αυτός είναι ένας πραγματικός υπολογισμός από τους τύπους που προκύπτουν από την εργασία μας και δεν είναι μια καλλιτεχνική αναπαράσταση ή μια πειραματική μέτρηση.
Πόσο δύσκολο ήταν να τραβήξετε τη φωτογραφία και ποιες ήταν οι σκέψεις και τα συναισθήματά σας όταν τα καταφέρατε;
Η δυσκολία ήταν να συνδυάσουμε τη θεωρία, και είχαμε αρκετές λανθασμένες εκκινήσεις, και να λύσουμε αρκετά δύσκολα μαθηματικά ολοκληρώματα, τα οποία χρειάστηκαν πολύ χρόνο. Αφού ολοκληρώθηκαν όλα αυτά, η κυματοσυνάρτηση φωτονίων, η ένταση (δηλαδή η εικόνα) και πολλά άλλα πράγματα βγαίνουν από τη θεωρία πολύ εύκολα. Ήταν αρκετά ικανοποιητικό όταν συνέχιζαν να έρχονται νέες πληροφορίες για τη θεωρία που εξηγούσε την κβαντική συμπεριφορά των ανοιχτών συστημάτων και αποκάλυπτε νέες πληροφορίες για περιοχές και καθεστώτα που όλοι αγνοούν ως θόρυβο.
Οι ειδικοί λένε ότι η μέθοδος που χρησιμοποιήσατε είναι επαναστατική και μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορους τομείς. Πιστεύετε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί πιο αποτελεσματικά;
Δεν είμαι σίγουρη για την εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε διάφορους τομείς πέρα από τα ανοιχτά νανοφωτονικά συστήματα. Είναι μια σημαντική ανακάλυψη για την κβαντική νανοφωτονική, αλλά θα ήμουν προσεκτική στη χρήση σε άλλα πεδία, εκτός εάν τα συστήματά τους συμπεριφέρονται με παρόμοιο τρόπο.
Τι σημαίνει αυτό το επίτευγμα για τον τομέα σας;
Όπως ήδη ανέφερα είναι μια σημαντική ανακάλυψη για την κβαντική νανοφωτονική, επειδή μας επιτρέπει να λάβουμε ακριβώς την κβαντική δυναμική των ανοιχτών νανοφωτονικών συστημάτων, χωρίς προσεγγίσεις. Αποκαλύπτει επίσης πώς τα φωτόνια ταξιδεύουν από αυτά τα συστήματα μακριά όπου συνήθως μετρώνται πειραματικά. Έτσι δημιουργείται μια σύνδεση μεταξύ της κβαντικής δυναμικής του συστήματος και των πειραματικών μετρήσεων. Και δεδομένου ότι πολλά πειράματα ολοένα και πιο συχνά εξετάζουν τέτοια ανοιχτά νανοφωτονικά συστήματα, που είναι ευκολότερα στη ρύθμιση και τη μέτρηση, δημιουργεί νέα μονοπάτια για την κατανόησή τους και τον σχεδιασμό τους ώστε να λειτουργούν όπως επιθυμούμε.
Ποια είναι τα επόμενα ερευνητικά σας σχέδια;
Από την όλη εργασία προέκυψαν πολλές νέες πληροφορίες τις οποίες δεν είχαμε χώρο να παρουσιάσουμε στη δημοσίευση που κάναμε. Το δημοσιευμένο άρθρο εστιάζει κυρίως στη θεωρητική μέθοδο και πώς την αποκτήσαμε. Έχουμε ήδη πολλά δεδομένα από αυτή τη νέα θεωρία, που αποκαλύπτουν νέες πληροφορίες για το πώς λειτουργούν αυτά τα συστήματα, και υπάρχουν αρκετές εκπλήξεις. Σκοπεύουμε να αντιμετωπίσουμε αυτά πρώτα. Επίσης, υπάρχουν αρκετές επεκτάσεις στη θεωρία που θα μας επιτρέψουν να την εφαρμόσουμε σε περισσότερους τύπους νανοφωτονικών συστημάτων, προς τα οποία εργαζόμαστε.
Ποια πιστεύετε ότι θα είναι η επόμενη μεγάλη ανακάλυψη ή εξέλιξη στον τομέα της φωτονικής;
Αυτό είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθεί. Το πεδίο είναι πολύ μεγάλο και ποικιλόμορφο, όπως θα έπρεπε, και νέες ανακαλύψεις μπορούν να έρθουν από οπουδήποτε. Έχει γίνει πολύ σπουδαίο έργο πρόσφατα για τη φωτοκατάλυση σε νανοφωτονικά περιβάλλοντα και τις μεθόδους μετατροπής συχνότητας.
Naftemporiki.gr
