original article: THROUGH THE LOOKING-GLASS: ODD NEW METASURFACE MATERIAL IS A “DOORWAY” TO STRANGE QUANTUM PHENOMENON
Περίεργο Υλικό «Μετεπιφάνειας» Λειτουργεί ως Πύλη σε Κβαντικά Φαινόμενα
Micah Hanks 13/9/2022
Σύμφωνα με αυτή την τάση, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι μια νέα τεχνολογία που αναπτύχθηκε από επιστήμονες στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Max Planck για την Επιστήμη του Φωτός, μπορεί σύντομα να αντικαταστήσει δυσκίνητες τεχνολογίες που κάποτε απαιτούσαν ένα ολόκληρο δωμάτιο για να λειτουργήσουν, χάρη σε μια εξαιρετικά λεπτή εφεύρεση που θα μπορούσε να αλλάξει το μέλλον του υπολογισμού, της κρυπτογράφηση και πολλών άλλων τεχνολογιών.
Στην καρδιά της εφεύρεσης και της λειτουργίας της βρίσκεται ένα ιδιόμορφο φαινόμενο που έχει μπερδέψει τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες, γνωστό ως κβαντική διεμπλοκή.
Η διεμπλοκή περιλαμβάνει σωματίδια (φωτόνια, στην περίπτωση αυτή) που συνδέονται με τέτοιον τρόπο, ώστε τυχόν αλλαγές που επηρεάζουν το ένα από αυτά να επηρεάζουν και το άλλο. Περιέργως, η απόσταση μεταξύ των συνδεδεμένων σωματιδίων δεν επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο συμβαίνουν τέτοιες αλλαγές, μια ιδιαιτερότητα που περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, τον Μπόρις Ποντόλσκι και τον Νέιθαν Ρόζεν το 1935, την οποία ο Αϊνστάιν ονόμασε «τρομακτική δράση σε απόσταση».
Αν και οι φυσικοί δυσκολεύονται να συμβιβάσουν το θεμέλιο αυτό του κβαντομηχανικού κόσμου με τις αντιλήψεις μας για την κλασική μηχανική, οι επιστήμονες κατάφεραν ωστόσο να αξιοποιήσουν το παράξενο φαινόμενο της διεμπλοκής στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών πληροφορικής, στη βελτίωση των τεχνολογιών κρυπτογράφησης, ακόμη και στη διόρθωση σφαλμάτων στον αναπτυσσόμενο τομέα της κβαντικής υπολογιστικής.
Τώρα, η δημιουργία ενός ολοκαίνουργιου υλικού από την ομάδα των Sandia Labs και του Ινστιτούτου Max Planck θα μπορούσε να βελτιώσει περαιτέρω τις προσπάθειες για την αξιοποίηση της κβαντικής διεμπλοκής στην παραγωγή καινοτόμων νέων τεχνολογιών.
Το μοναδικό υλικό, που ονομάζεται μετεπιφάνεια, παράχθηκε μέσω τεχνολογιών νανο-μηχανικής, και θα διευκολύνει καινοτόμους νέους τρόπους διεμπλοκής φωτονίων που οι προηγούμενες τεχνολογίες δεν μπορούσαν να επιτύχουν.
Εν συντομία, οι μετεπιφάνειες αποτελούνται από συστοιχίες διηλεκτρικών συστατικών (με άλλα λόγια, συσκευές ικανές να μεταφέρουν ηλεκτρική δύναμη χωρίς αγωγιμότητα), οι οποίες μετατρέπουν ομάδες οπτικών εξαρτημάτων σε εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες. Τέτοια υλικά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το φως και άλλα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με τρόπους πολύ διαφορετικούς από τα συμβατικά υλικά (π.χ. ένας παραδοσιακός φακός).
Στην περίπτωση της νεοδημιουργηθείσας μετεπιφάνειας, αυτό το υλικό είναι σε θέση να λειτουργήσει παρόμοια με μια «πύλη» στον κβαντικό κόσμο, μέσω της οποίας η διεμπλοκή μπορεί να γίνει προσβάσιμη –ένα φαινόμενο που μια πρόσφατη δήλωση παρομοίασε με την Αλίκη που περνάει μέσα από έναν καθρέφτη σε μια εναλλακτική πραγματικότητα, στο κλασικό παραμύθι του Λιούις Κάρολ «Μέσα Από τον Καθρέφτη». Η ερευνητική ομάδα λέει ότι η νέα τεχνολογία της λειτουργεί πυροδοτώντας ένα λέιζερ μέσω ενός εξαιρετικά λεπτού φύλλου γυαλιού καλυμμένου με μικροσκοπικές δομές κατασκευασμένες από αρσενικούχο γάλλιο, μια σκούρα γκρίζα ουσία της οποίας η κρυσταλλική δομή χρησιμοποιείται συνήθως στην παραγωγή ημιαγώγιμου υλικού.
Το νέο υλικό, το οποίο είναι σχεδόν εκατό φορές λεπτότερο από ένα φύλλο χαρτιού, ήταν το προϊόν της αρχικής έρευνας που πραγματοποιήθηκε στο Κέντρο Ολοκληρωμένων Νανοτεχνολογιών του Τμήματος Ενέργειας.
Ο Igal Brener, ειδικός στη μη γραμμική οπτική και ανώτερος επιστήμονας της Sandia ο οποίος ηγήθηκε της ομάδας, εξηγεί ότι από το δείγμα παράγονται περιστασιακά ζεύγη διεμπλεγμένων φωτονίων σε διαφορετικά μήκη κύματος, τα οποία κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση με το λέιζερ που οι ερευνητές έστελναν μέσα από το γυαλί.
«Ανακατεύει όλα τα οπτικά πεδία», ανέφερε ο Μπρένερ σε δήλωσή του, προσθέτοντας ότι η συσκευή έχει σχεδιαστεί για να παράγει όχι μόνο ζεύγη φωτονίων αλλά ολόκληρους ιστούς διεμπλεγμένων σωματιδίων, γνωστών ως πολλαπλών διεμπλοκών, παρόμοια των οποίων απαιτούνται σε μερικές από τις πιο περίπλοκες τεχνολογίες επεξεργασίας πληροφοριών που καινοτομούν σήμερα.
Τα προηγούμενα χρόνια, μία από τις μόνες μεθόδους παραγωγής παρόμοιων αποτελεσμάτων περιλάμβανε τη χρήση πολλαπλών λέιζερ σε συνδυασμό με ειδικούς κρυστάλλους και άλλο οπτικό εξοπλισμό μοναδικά προσαρμοσμένο για τέτοιους σκοπούς, τα οποία απαιτούσαν μεγάλες ποσότητες χώρου. Ενώ υπάρχουν ήδη τεχνολογίες μικρότερης κλίμακας που είναι ικανές να παράξουν διεμπλοκή φωτονίων, αυτές οι συσκευές δεν μπόρεσαν να επιτύχουν πολλαπλή διεμπλοκή.
Σύμφωνα με τον Brener, η πολλαπλή διεμπλοκή επιτυγχάνεται όταν παράγονται περισσότερα από δύο ή τρία ζεύγη διεμπλεγμένων φωτονίων. Ευτυχώς, η νέα τεχνολογία μετεπιφάνειας που κατάφερε να παράξει η ομάδα sandia labs είναι σε θέση να συγκεντρώσει τέτοια αποτελέσματα σε πολύ μικρότερο χώρο από ό, τι θα απαιτούσε ο προηγούμενος εξοπλισμός.
«Αυτές οι μη γραμμικές μετεπιφάνειες ουσιαστικά επιτυγχάνουν αυτό το έργο εντός ενός δείγματος, όταν προηγουμένως θα απαιτούσε απίστευτα περίπλοκες οπτικές ρυθμίσεις», ανέφερε ο Brener σε δήλωσή του.
Μεταξύ των πιθανών μειονεκτημάτων του νέου υλικού μετεπιφάνειας είναι ότι αν και μπορεί να επιτευχθεί πολλαπλή διεμπλοκή, ο ρυθμός παραγωγής του είναι χαμηλότερος από άλλες υπάρχουσες τεχνικές, καθιστώντας το συγκριτικά ελαφρώς λιγότερο αποτελεσματικό.
Αν και η τεχνολογία εξακολουθεί να απαιτεί κάποια βελτίωση, οι προοπτικές για τη μελλοντική της χρήση είναι ήδη εμφανείς, σύμφωνα με τον Brener.
«Αυτοί οι τύποι μετεπιφανειών θα φέρουν επανάσταση στα καταναλωτικά προϊόντα», λέει ο Brener.
Η εργασία της ομάδας, «Συντονισμένες μετεπιφάνειες για τη δημιουργία σύνθετων κβαντικών θέσεων», δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Science. Επικεφαλής της ερευνητικής προσπάθειας ήταν η Μαρία Τσέχοβα, φυσικός στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Επιστήμη του Φωτός, η οποία ειδικεύεται στην κβαντική διεμπλοκή φωτονίων, και ο Τόμας Σαντιάγο-Κρουζ, ο πρώτος συγγραφέας μιας πρόσφατα δημοσιευμένης εργασίας που περιγράφει λεπτομερώς τα ευρήματα της ομάδας. Επιπλέον συντελεστές μαζί με τον Μπρένερ ήταν οι συν-συγγραφείς Σιλβέιν Τζενάρο, Όλεγκ Μιτροφάνοφ, Σαντχβίκα Αντάμαν και Τζον Ρενό.
Μέσω του συνδυασμού μικροσκοπικών πηγών κβαντικού φωτός με νέες τεχνολογίες όπως αυτές που παρήγαγε η ομάδα, ο Santiago-Cruz λέει ότι οι δυνατότητες για το μέλλον των κβαντικών οπτικών τεχνολογιών είναι πολύ ελπιδοφόρες.
«Οι μετεπιφάνειες οδηγούν σε αλλαγή παραδείγματος στην κβαντική οπτική», λέει.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου