Το ρεκόρ ταχύτητας που θα σου κάψει το μυαλό

Σκέψου τον αριθμό 74.

Δεν είναι δευτερόλεπτα. Δεν είναι χιλιοστά. Είναι femtoseconds. Δηλαδή 74 τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.

Σε τόσο χρόνο, το φως προλαβαίνει να διανύσει περίπου το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Κι όμως, επιστήμονες στο Caltech κατασκεύασαν μια συσκευή που μπορεί να αλλάξει την πορεία μιας δέσμης φωτός σε αυτό το απίστευτα μικρό διάστημα.

Όταν το διάβασα, χρειάστηκε να το δω τρεις φορές για να βεβαιωθώ ότι κατάλαβα σωστά.

Γιατί το φως είναι "πεισματάρικο"

Το φως δεν αλλάζει εύκολα κατεύθυνση. Οι κλασικές μέθοδοι απαιτούν να πειράξεις τα ηλεκτρόνια ενός υλικού — να τα σπρώξεις σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες και μετά να περιμένεις να ηρεμήσουν.

Φαντάσου ότι θέλεις να αλλάξεις λωρίδα σε αυτοκινητόδρομο ζητώντας από κάθε αυτοκίνητο να σταματήσει, να περιμένει, και μετά να επιστρέψει στην κίνηση. Αργό και αναποτελεσματικό.

Οι σημερινές τεχνολογίες φτάνουν μέχρι τα nanosecond ή picosecond. Γρήγορα για τον άνθρωπο, αλλά σχετικά αργά για αυτό που χρειαζόμαστε.

Φως ελέγχει φως

Η ομάδα του Harry Atwater στο Caltech πήρε έναν εντελώς διαφορετικό δρόμο. Δεν χρησιμοποίησαν ηλεκτρικά σήματα. Χρησιμοποίησαν μια δέσμη φωτός για να κατευθύνουν μια άλλη.

Βασίστηκαν στο λεγόμενο οπτικό φαινόμενο Kerr. Όταν μια ισχυρή δέσμη περνά μέσα από ορισμένα υλικά, αλλάζει προσωρινά τον τρόπο που αυτά αλληλεπιδρούν με το φως — τον δείκτη διάθλασης.

Η αλλαγή γίνεται αστραπιαία επειδή τα ηλεκτρόνια δεν μεταπηδούν σε νέες ενεργειακές στάθμες. Απλά κουνιούνται λίγο μέσα στις τροχιές τους.

Το πρόβλημα; Μόνο του, αυτό το φαινόμενο είναι ασθενέστατο. Μια μικροσκοπική αλλαγή δεν αρκεί για να αλλάξει σημαντικά την πορεία του φωτός.

Η έξυπνη λύση με τα νανο-πυλώνια

Εδώ μπαίνει η εφευρετικότητα.

Οι ερευνητές δημιούργησαν μια μετα-επιφάνεια — ένα φύλλο άμορφου πυριτίου με νανοσκοπικούς πυλώνες πάνω του, ο καθένας μικρότερος από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούν.

Αυτοί οι μικροσκοπικοί πυλώνες λειτουργούν σαν παγίδες φωτός. Κρατούν το φως μέσα στο υλικό λίγο παραπάνω από όσο θα έμενε φυσιολογικά. Έτσι, το φαινόμενο Kerr έχει περισσότερο χρόνο να δράσει.

Αυτή η επιμήκυνση ενισχύει την αλλαγή του δείκτη διάθλασης μέχρι να γίνει αρκετά ισχυρή για να αλλάξει την κατεύθυνση της δέσμης κατά 13 ολόκληρες μοίρες.

Όλο αυτό σε 74 femtoseconds. Όχι επειδή το υλικό δεν μπορεί περισσότερο — απλά αυτό ήταν το όριο των laser που χρησιμοποίησαν.

Γιατί έχει σημασία

Ας το βάλουμε σε προοπτική.

Φαντάσου έναν υπολογιστή που χρησιμοποιεί αυτή την τεχνολογία. Θα μπορούσε να επεξεργάζεται οπτικά σήματα εκατομμύρια φορές γρηγορότερα από σήμερα.

Οι εφαρμογές; Τηλεπικοινωνίες, συστήματα LiDAR για αυτόνομα αυτοκίνητα, αισθητήρες που θα ανιχνεύουν μεμονωμένα μόρια σε ιατρικές διαγνώσεις.

Και κάτι ακόμα πιο συναρπαστικό: οι ερευνητές λένε ότι το σημερινό όριο ταχύτητας δεν είναι θεμελιώδες. Είναι θέμα laser. Με καλύτερες παλμούς, θα μπορούσε να γίνει ακόμα πιο γρήγορο. Αυτό ανοίγει την πόρτα σε concepts όπως χρονικοί κρύσταλλοι και συνθετικά οπτικά υλικά που αλλάζουν στον χρόνο — πράγματα που μοιάζουν με επιστημονική φαντασία.

Η μεγάλη εικόνα

Αυτή η έρευνα σηματοδοτεί μια στροφή. Από το να σκεφτόμαστε τον έλεγχο του φωτός μέσω ηλεκτρονικών, περνάμε στον έλεγχο μέσω καθαρού φωτός.

Δεν πάμε σε έναν κόσμο όπου το φως απλά μεταφέρει πληροφορίες. Πάμε σε έναν κόσμο όπου το φως συμμετέχει ενεργά στην επεξεργασία τους.

Θα αλλάξει τα πάντα του χρόνου; Όχι. Είναι όμως από εκείνη την κατηγορία θεμελιωδών ανακαλύψεων που σε κάνουν να συνειδητοποιείς ότι ζούμε σε μια εποχή όπου τα όρια του εφικτού ξανασχεδιάζονται στα εργαστήρια.

Κάθε φορά που χρειάζεται να διαβάσω κάτι τέτοιο τρεις φορές για να το πιστέψω, νιώθω ταυτόχρονα ταπεινός και ενθουσιασμένος. Και ελπίζω να νιώθεις κι εσύ το ίδιο.