Κατασκευάστηκε ο πρώτος φακός πλάσματος και εγκαινιάζει μια νέα εποχή για τη Φυσική

Μέσα σε χρόνους τόσο μικρούς που είναι δύσκολο να τους συλλάβει ο ανθρώπινος νους, δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, εκτυλίσσονται οι ταχύτερες κινήσεις στο Σύμπαν: οι μεταβολές των ηλεκτρονίων. Για πρώτη φορά, επιστήμονες κατάφεραν να «εστιάσουν» σε αυτά τα φευγαλέα φαινόμενα, χάρη στην κατασκευή του πρώτου φακού πλάσματος στον κόσμο. Το επίτευγμα, που προήλθε από ερευνητές του Max Born Institute στο Βερολίνο και του DESY στο Αμβούργο, μπορεί να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο μελετούμε τα ηλεκτρόνια και τις κινήσεις τους σε ακραία χρονικά όρια.

Ο νέος φακός δεν συγκεντρώνει απλώς το ταχύτερο φως που γνωρίζουμε, αλλά το κάνει με απόδοση που ξεπερνά το 80%, επίδοση που δεν έχει επιτευχθεί ποτέ μέχρι σήμερα. Η εφεύρεση αυτή ανοίγει τον δρόμο για μια νέα γενιά πειραμάτων στη Φυσική, όπου κάθε φλας φωτός αποκαλύπτει διεργασίες που συμβαίνουν σε απειροελάχιστα χρονικά παράθυρα.

Τα λεγόμενα attosecond pulses, φωτεινές εκρήξεις διάρκειας ελάχιστων τρισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου, αποτελούν εδώ και χρόνια το βασικό εργαλείο των επιστημόνων για να «κινηματογραφήσουν» τις κινήσεις των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα. Με αυτά, μπορούμε να δούμε πώς ακριβώς τα ηλεκτρόνια μετακινούνται, αντιδρούν και σχηματίζουν χημικούς δεσμούς. Ωστόσο, η φύση αυτών των φωτεινών παλμών καθιστά σχεδόν αδύνατη τη χρήση συμβατικών οπτικών εργαλείων.

Οι φακοί και οι καθρέφτες που χρησιμοποιούνται στο ορατό φάσμα δεν μπορούν να λειτουργήσουν εδώ: το φως των attosecond pulses βρίσκεται στην περιοχή του ακραίου υπεριώδους ή των ακτίνων Χ, μήκη κύματος που απορροφώνται ή αλλοιώνονται από τα στερεά υλικά. Έτσι, οι επιστήμονες βρέθηκαν μπροστά σε ένα πρόβλημα: πώς μπορεί κανείς να εστιάσει φως που καταστρέφει τα πάντα στο πέρασμά του;

Η απάντηση βρέθηκε σε μια εντελώς διαφορετική κατάσταση της ύλης, το πλάσμα. Σε αντίθεση με τα στερεά ή τα διαφανή υλικά, το πλάσμα είναι ένα μείγμα ελεύθερων ηλεκτρονίων και ιόντων, που δεν καταστρέφεται από τις ακραίες ενεργειακές συνθήκες των attosecond pulses.

Στο πείραμα των ερευνητών, ισχυροί ηλεκτρικοί παλμοί διοχετεύτηκαν μέσα σε ένα λεπτό σωλήνα γεμάτο με αέριο υδρογόνο. Η ενέργεια των παλμών απογύμνωσε τα άτομα από τα ηλεκτρόνιά τους, σχηματίζοντας ένα σύννεφο πλάσματος. Αυτό το νέφος, καθώς πιεζόταν προς τα τοιχώματα του σωλήνα, πήρε το σχήμα ενός κοίλου φακού. Εκεί όπου ένας συμβατικός φακός θα διέχυε το φως, το πλάσμα, ακολουθώντας διαφορετικούς οπτικούς κανόνες, το συγκέντρωνε. Το αποτέλεσμα ήταν ένας φακός ικανός να εστιάζει ταχύτερες από ποτέ φωτεινές εκρήξεις, χωρίς απώλειες ή αλλοιώσεις.

Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του φακού πλάσματος είναι ότι δεν υπόκειται σε φθορά. Οι συμβατικοί φακοί φθείρονται ή καταστρέφονται από την ενέργεια των attosecond pulses, ενώ ο φακός πλάσματος όχι μόνο αντέχει, αλλά μπορεί και να προσαρμόζεται. Οι ερευνητές μπορούν να μεταβάλουν το σημείο εστίασης απλώς αλλάζοντας την πυκνότητα του αερίου.

Τα πειράματα έδειξαν ότι η συσκευή επιτυγχάνει μετάδοση άνω του 80% της εισερχόμενης φωτεινής ενέργειας, ποσοστό εντυπωσιακό για τόσο ακραίες συνθήκες. Επιπλέον, ο φακός λειτουργεί ως φυσικό φίλτρο, επιτρέποντας τη διέλευση μόνο των υπερταχέων παλμών, ενώ μπλοκάρει το υπέρυθρο φως των laser που τους δημιουργεί. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη χρήσης μεταλλικών φίλτρων που συνήθως μειώνουν την ένταση του χρήσιμου φωτός.

Οι αριθμητικές προσομοιώσεις που συνόδευσαν το πείραμα έδειξαν ότι ο φακός αλλοιώνει ελάχιστα τη διάρκεια των φωτεινών εκρήξεων, αυξάνοντάς την μόνο από 90 σε 96 attoseconds. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το πλάσμα καταφέρνει ακόμη και να τις συντομεύσει – από 189 σε 165 attoseconds – χάρη σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται «chirp compression». Με απλά λόγια, ο φακός ευθυγραμμίζει ξανά τα διαφορετικά χρώματα του φωτός, πετυχαίνοντας μεγαλύτερη συνοχή και καθαρότητα.

Η δημιουργία του πρώτου φακού πλάσματος δεν είναι απλώς ένα τεχνικό επίτευγμα, αλλά μια υπόσχεση για το μέλλον της Φυσικής. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες μπορούσαν να παράγουν attosecond pulses, αλλά όχι να τα ελέγξουν με ακρίβεια. Πλέον, η δυνατότητα εστίασης αυτών των παλμών ανοίγει τον δρόμο για λεπτομερή παρατήρηση φαινομένων σε ατομική κλίμακα, όπως η κβαντική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων και η δυναμική των χημικών δεσμών.

Με την πρωτοποριακή αυτή τεχνολογία, το Max Born Institute και το DESY θέτουν τα θεμέλια για μια νέα γενιά πειραμάτων που θα επιτρέψουν την «κινηματογράφηση» του αόρατου. Ίσως, στο κοντινό μέλλον, οι φυσικοί να μπορούν να βλέπουν όχι απλώς τα ηλεκτρόνια να κινούνται, αλλά και να ελέγχουν αυτές τις κινήσεις, φέρνοντας τη Φυσική ένα βήμα πιο κοντά στην απόλυτη κατανόηση του μικρόκοσμου.

[source]