Οι μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης βρίσκονται στο επίκεντρο μερικών από τα πιο ισχυρά εργαλεία της σύγχρονης οπτικής. Ωστόσο, η ώθηση αυτών των διαδικασιών στα όριά τους παρεμποδιζόταν από έναν βασικό περιορισμό: όσο πιο ισχυρό γίνεται το λέιζερ, τόσο πιο πιθανό είναι να καταστρέψει το υλικό που φωτίζει.
Μέσα από νέες πειραματικές δοκιμές που παρουσιάζονται στο περιοδικό Nature, ο Jian Wu και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο East China Normal της Σαγκάης βρήκαν έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, εκμεταλλευόμενοι την κβαντική φύση του ίδιου του φωτός.
Το όριο καταστροφής από λέιζερ
Οι περισσότερες οπτικές διεργασίες είναι γραμμικές: αν ένα άτομο φωτιστεί από ένα λέιζερ, θα απορροφήσει ένα φωτόνιο τη φορά, παράγοντας μια απόκριση που κλιμακώνεται ανάλογα με την ένταση του φωτός. Αντίθετα, οι μη γραμμικές διεργασίες απαιτούν την ταυτόχρονη άφιξη πολλών φωτονίων σε ένα άτομο, προκαλώντας φαινόμενα όπως η ταυτόχρονη απορρόρφηση πολλαπλών φωτονίων και η επανεκπομπή φωτός σε συχνότητες πολλαπλάσιες της αρχικής.
Σε σύγκριση με τις γραμμικές διεργασίες, αυτά τα φαινόμενα αυξάνονται πολύ πιο απότομα με την ένταση του φωτός, καθιστώντας τα ιδιαίτερα χρήσιμα για τους φυσικούς. Ωστόσο, αυτό απαιτεί τη χρήση εξαιρετικά έντονων παλμών λέιζερ, οι οποίοι μπορούν να προκαλέσουν ζημιά ή να καταστρέψουν τα υλικά με τα οποία αλληλεπιδρούν, θέτοντας μέχρι τώρα μια οροφή στην εφαρμογή της μεθόδου.
Ενίσχυση ενέργειας χωρίς αύξηση ισχύος
Για να αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα, η ομάδα του Wu στράφηκε σε μια μορφή κβαντικού φωτός που ονομάζεται «λαμπρό συμπιεσμένο κενό» (bright squeezed vacuum – BSV). Σε αντίθεση με το συνηθισμένο φως λέιζερ, όπου τα φωτόνια φτάνουν με προβλέψιμο ρυθμό, η κατάσταση BSV χαρακτηρίζεται από ακραίες διακυμάνσεις στον αριθμό των φωτονίων που καταφθάνουν σε κάθε δεδομένη στιγμή.
Αυτές οι διακυμάνσεις σημαίνουν ότι, ακόμη και με μέτρια μέση ισχύ, ένας παλμός BSV μπορεί να προσφέρει τεράστιες εκρήξεις φωτονίων, ικανές να οδηγήσουν μη γραμμικές διεργασίες που κανονικά θα απαιτούσαν ένα πολύ πιο ισχυρό λέιζερ.
Για να δοκιμάσουν αυτή την ιδέα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια βασική μη γραμμική διαδικασία που ονομάζεται ιονισμός διέλευσης σήραγγας (tunneling ionization). Σε αυτή τη διαδικασία, ένα έντονο πεδίο φωτός παραμορφώνει το ηλεκτρικό περιβάλλον γύρω από ένα άτομο νατρίου τόσο έντονα, ώστε ένα ηλεκτρόνιο μπορεί ουσιαστικά να περάσει μέσα από το φράγμα που το κρατά στη θέση του.
Όταν μέτρησαν τις ενέργειες και την ορμή των απελευθερωμένων ηλεκτρονίων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ένας παλμός BSV που μετέφερε κατά μέσο όρο μόλις 300 nanojoules ενέργειας παρήγαγε το ίδιο μη γραμμικό αποτέλεσμα με έναν συμβατικό παλμό λέιζερ. Αυτό αντιπροσωπεύει μια ενίσχυση μεγαλύτερη από 20 φορές, η οποία επιτεύχθηκε χωρίς καμία αύξηση στη μέση ισχύ. Η ομάδα έδειξε επίσης ότι μπορούσε να αυξομειώσει την ένταση του παλμού κατά βούληση, χωρίς να αλλάξει καθόλου την ενέργειά του.
Ξεκλειδώνοντας τη φυσική των αττοδευτερολέπτων
Τα αποτελέσματα ανοίγουν έναν νέο τρόπο ελέγχου των διεργασιών ισχυρού πεδίου μέσω της μικρορύθμισης του κβαντικού χαρακτήρα της πηγής φωτός. Αυτό θα μπορούσε να αποδειχθεί εξαιρετικά σημαντικό για την επιστήμη των αττοδευτερολέπτων (attosecond science), η οποία περιλαμβάνει παλμούς φωτός που διαρκούν μόλις δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Μέχρι τώρα, ο συγκεκριμένος τομέας βασιζόταν σχεδόν εξ ολοκλήρου σε κλασικές πηγές λέιζερ. Εισάγοντας κβαντικά οπτικά εργαλεία σε αυτό το πεδίο, τα αποτελέσματα της ομάδας δείχνουν προς ένα μέλλον όπου οι ακραίες αλληλεπιδράσεις φωτός – ύλης θα μπορούν να κατευθύνονται και να ελέγχονται με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια και με πολύ λιγότερο κίνδυνο παράπλευρων απωλειών σε σχέση με ό,τι ήταν δυνατό μέχρι σήμερα.