Επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Ανατολικής Αγγλίας ανακάλυψαν μια κρυφή ιδιότητα του φωτός που του επιτρέπει να στρίβει, να περιστρέφεται και να συμπεριφέρεται διαφορετικά — χωρίς καθρέφτες, υλικά ή ειδικούς φακούς.
Σε μια σημαντική ανακάλυψη που θα μπορούσε να μεταμορφώσει τις ιατρικές εξετάσεις, τη μετάδοση δεδομένων και τις μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες, ερευνητές από το Ηνωμένο Βασίλειο και τη Νότια Αφρική απέδειξαν ότι το φως μπορεί να «προγραμματιστεί» απλώς αξιοποιώντας τη φυσική του γεωμετρία.
Η ανακάλυψη αυτή ανατρέπει δεκαετίες επιστημονικής σκέψης και αποκαλύπτει ότι το φως μπορεί να εμφανίσει χειραλική συμπεριφορά —δηλαδή να συμπεριφέρεται σαν αριστερό ή δεξί χέρι— ενώ διατρέχει ελεύθερα το διάστημα. Αυτό, σύμφωνα με την ομάδα, θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε έναν κόσμο όπου το φως θα μεταφέρει πληροφορίες, θα διερευνά τη βιολογία, θα χειρίζεται την ύλη και θα προστατεύει τα κβαντικά σήματα.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Light: Science & Applications.
Γιατί έχει σημασία το «χειραλικό» φως
Η χειροµορφία, ή «δεξιότητα», είναι μια κρίσιμη έννοια στην επιστήμη. Πολλά μόρια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούνται στα φάρμακα, υπάρχουν σε αριστερόστροφες και δεξιόστροφες μορφές που μοιάζουν σχεδόν πανομοιότυπες, αλλά μπορούν να συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά μέσα στο ανθρώπινο σώμα.
Για να τα ξεχωρίσουν, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συχνά ειδικές μορφές φωτός που περιστρέφονται είτε δεξιόστροφα είτε αριστερόστροφα. Μέχρι τώρα, η δημιουργία και ο έλεγχος αυτού του είδους φωτός απαιτούσε επιφάνειες προσεκτικά σχεδιασμένες, εξωτικά υλικά ή ακραία εστίαση με τη χρήση ισχυρών φακών.
Ωστόσο, η νέα μελέτη δείχνει ότι τίποτα από όλα αυτά δεν είναι απαραίτητο.
«Η έρευνά μας δείχνει ότι το φως μπορεί να αναπτύξει φυσικά αυτή τη συμπεριφορά χειρότητας από μόνο του», δήλωσε ο Δρ Kayn Forbes από τη Σχολή Χημείας, Φαρμακευτικής και Φαρμακολογίας του Πανεπιστημίου του East Anglia (UEA). «Απλώς πρέπει να το προετοιμάσεις με τον σωστό τρόπο.»Έννοια
Φως που στρίβει σαν τιρμπουσόν
«Οι περισσότεροι άνθρωποι πιστεύουν ότι το φως κινείται σε ευθείες γραμμές. Ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούν επίσης να δημιουργήσουν δομημένο φως — φως του οποίου η φωτεινότητα, το σχήμα και η κατεύθυνση είναι προσεκτικά διαμορφωμένα», δήλωσε ο Δρ Forbes.
«Ένα ακραίο παράδειγμα είναι το φως που στρίβει καθώς κινείται, σχηματίζοντας ένα σχήμα τιρμπουσόν γνωστό ως οπτική δίνη. Κάθε στροφή μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες, καθιστώντας αυτό το είδος φωτός πολύτιμο για το διαδίκτυο υψηλής ταχύτητας, τις ασφαλείς επικοινωνίες και τους προηγμένους αισθητήρες. Το φως μπορεί επίσης να περιστρέφεται καθώς ταξιδεύει, ανάλογα με τον τρόπο πόλωσής του. Αυτή η περιστροφή μπορεί να είναι αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη — μια άλλη μορφή χειρότητας».
Ένα κρυφό χαρακτηριστικό αποκαλύπτεται επιτέλους
Μέχρι τώρα, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του σπιν και της περιστροφής του φωτός θεωρούνταν εξαιρετικά αδύναμες — τόσο αδύναμες που μπορούσαν να ανιχνευθούν μόνο υπό ειδικές συνθήκες.
Ωστόσο, η ομάδα του UEA ανακάλυψε ότι αν το φως τεθεί σε μια προσεκτικά ισορροπημένη κατάσταση, το σπιν του μπορεί να εμφανιστεί φυσικά καθώς κινείται στο κενό.
«Αρχικά δεν έχει καθόλου σπιν», εξήγησε ο μεταπτυχιακός φοιτητής Light Mkhumbuza, ο οποίος διεξήγαγε τα βασικά πειράματα. «Όμως, καθώς η δέσμη προχωράει, εμφανίζονται περιοχές με σπιν που διαχωρίζονται — σχεδόν σαν το σπιν να κρυβόταν και στη συνέχεια να αποκαλύφθηκε».
Χωρίς καθρέφτες. Χωρίς ειδικά υλικά. Μόνο φως που διαδίδεται ελεύθερα.
Το «τοπολογικό αποτύπωμα» του φωτός
Σύμφωνα με τον Δρ. Isaac Nape, του Πανεπιστημίου του Witwatersrand στο Γιοχάνεσμπουργκ της Νότιας Αφρικής, ο λόγος για τον οποίο συμβαίνει αυτό έγκειται στην τοπολογία — έναν κλάδο των μαθηματικών που εστιάζει στις ιδιότητες που παραμένουν αμετάβλητες, ακόμη και όταν τα αντικείμενα τεντώνονται ή αλλάζουν σχήμα.
«Για να το εξηγήσω, φανταστείτε μια κούπα και ένα ντόνατ», είπε. «Μπορείτε να μεταμορφώσετε το ένα στο άλλο χωρίς να το σκίσετε, επειδή και τα δύο έχουν μία τρύπα. Αυτή η τρύπα είναι ένα τοπολογικό χαρακτηριστικό».
Το φως, όπως αποδεικνύεται, έχει τη δική του εκδοχή αυτού του «αριθμού τρυπών» — ένα κρυφό τοπολογικό δακτυλικό αποτύπωμα που κρύβεται στον τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένη η πόλωσή του. Αυτό το δακτυλικό αποτύπωμα δεν εξαφανίζεται καθώς το φως ταξιδεύει. Αντίθετα, καθοδηγεί αθόρυβα τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσεται η δέσμη.
Καθώς το φως προχωρά, η κρυφή δομή αναγκάζει την περιστροφική συμπεριφορά να αναδυθεί — δίνοντας στους επιστήμονες έναν ισχυρό νέο τρόπο ελέγχου του φωτός χρησιμοποιώντας μόνο τη γεωμετρία.
«Αυτό μας δίνει έναν εντελώς νέο ρυθμιστικό για το φως. Ρυθμίζοντας την τοπολογία του, μπορούμε να αποφασίσουμε πώς και πού εμφανίζεται η χειρότητα», είπε ο Δρ. Nape.
Ευρείες επιπτώσεις
«Οι επιπτώσεις είναι ευρείες», δήλωσε ο Δρ Φορμπς. «Η έρευνα αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε απλούστερες και πιο ευαίσθητες ιατρικές εξετάσεις, ειδικά στον τομέα της ανάπτυξης φαρμάκων.
«Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη συμπύκνωση περισσότερων πληροφοριών σε ακτίνες λέιζερ — αυξάνοντας τη χωρητικότητα δεδομένων για τις επικοινωνίες, συμπεριλαμβανομένων των μελλοντικών κβαντικών δικτύων. Και επειδή το φαινόμενο δεν βασίζεται σε εύθραυστα υλικά ή επιφάνειες κατασκευασμένες με ακρίβεια, θα μπορούσε να είναι ευκολότερο και φθηνότερο να χρησιμοποιηθεί σε τεχνολογίες του πραγματικού κόσμου. Αυτή η έρευνα θα μπορούσε να θέσει τα θεμέλια για μια νέα γενιά τεχνολογιών βασισμένων στο φως, δείχνοντας ότι η συμπεριφορά του φωτός μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας τη δική του εσωτερική γεωμετρία», πρόσθεσε.
Στις βασικές μελλοντικές εφαρμογές περιλαμβάνονται:
- Απλούστερες ιατρικές και φαρμακευτικές εξετάσεις, με τη χρήση ειδικά δομημένου φωτός για τη διάκριση των αριστερόστροφων και δεξιόστροφων μορίων, κάτι που είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια των φαρμάκων και την ανίχνευση ασθενειών.
- Συμπαγείς οπτικοί αισθητήρες, ικανοί να αναγνωρίζουν βιολογικές και χημικές ουσίες γρήγορα, οικονομικά και χωρίς εργαστηριακό εξοπλισμό.
- Πιο ισχυρές τεχνολογίες επικοινωνίας, όπου οι πληροφορίες συσκευάζονται σε πολλαπλές καταστάσεις στρέψης και περιστροφής του φωτός, για την ενίσχυση της χωρητικότητας και της ασφάλειας των δεδομένων.
- Προηγμένα εργαλεία για τη βιολογία και τη νανοτεχνολογία, που επιτρέπουν τη μετακίνηση και περιστροφή μικροσκοπικών σωματιδίων, κυττάρων ή μορίων χρησιμοποιώντας μόνο το φως.
- Πιο ανθεκτικές κβαντικές τεχνολογίες, με την τοπολογία να συμβάλλει στην προστασία ευαίσθητων κβαντικών πληροφοριών από θόρυβο και διαταραχές.
Μια αθόρυβη επανάσταση μπροστά στα μάτια μας
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η έρευνά τους αμφισβητεί τις παραδοσιακές αντιλήψεις σχετικά με το τι μπορεί και τι δεν μπορεί να κάνει το φως από μόνο του.
«Για κάτι τόσο οικείο, το φως αποδεικνύεται πολύ πιο πλούσιο, πιο παράξενο και πιο ισχυρό από ό,τι είχε φανταστεί κανείς», δήλωσε ο Δρ Φορμπς. «Και, εκπληκτικά, αυτή η νέα συμπεριφορά υπήρχε πάντα εκεί — απλώς περίμενε να την παρατηρήσουμε».
