Οι επιστήμονες έχουν χειραγωγήσει το φως για να συμπεριφέρεται σαν να επηρεάζεται από τη βαρύτητα χρησιμοποιώντας παραμορφώσιμους φωτονικούς κρυστάλλους, ανοίγοντας έτσι τις προόδους στην οπτική και τις επικοινωνίες 6G.
Χειρισμός της συμπεριφοράς του φωτός με ψευδή βαρύτητα
Μια συνεργατική ομάδα ερευνητών έχει χειραγωγήσει τη συμπεριφορά του φωτός σαν να ήταν υπό την επίδραση της βαρύτητας. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Φυσική ανασκόπηση α στις 28 Σεπτεμβρίου 2023, θα έχει εκτεταμένες επιπτώσεις στον κόσμο της οπτικής και της επιστήμης των υλικών και θα έχει σημασία στην ανάπτυξη των επικοινωνιών 6G.
Εννοιολογική εικόνα παραμορφώσιμου φωτονικού κρυστάλλου και φωτονικού κρυστάλλου. Credit: K. Kitamura et al.
Η θεωρία του Αϊνστάιν και η ψευδής βαρύτητα
Η θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν έχει αποδείξει εδώ και καιρό ότι η διαδρομή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων -συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων φωτός και terahertz- μπορεί να εκτραπεί από βαρυτικά πεδία. Οι επιστήμονες έχουν πρόσφατα προβλέψει θεωρητικά ότι η αναπαραγωγή των επιδράσεων της βαρύτητας -δηλαδή της ψευδοβαρύτητας- είναι δυνατή με την παραμόρφωση των κρυστάλλων στην περιοχή χαμηλής ενέργειας (ή συχνότητας).
«Ξεκινήσαμε να διερευνήσουμε εάν η παραμόρφωση του πλέγματος στους φωτονικούς κρυστάλλους θα μπορούσε να παράγει ψευδοβαρυτικά φαινόμενα», δήλωσε ο καθηγητής Kyoko Kitamura από το Πανεπιστήμιο Tohoku Graduate School of Engineering.
Πειραματικά αποτελέσματα ρύθμισης και προσομοίωσης της διαδρομής δέσμης σε DPC. Πίστωση: © K. Οι Kitamura et al.
Ο ρόλος των φωτονικών κρυστάλλων
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι έχουν μοναδικές ιδιότητες που επιτρέπουν στους επιστήμονες να χειρίζονται και να ελέγχουν τη συμπεριφορά του φωτός, ενεργώντας ως «ελεγκτές κυκλοφορίας» για το φως μέσα στους κρυστάλλους. Κατασκευάζονται με την περιοδική διάταξη δύο ή περισσότερων διαφορετικών υλικών με ποικίλες ικανότητες αλληλεπίδρασης και επιβράδυνσης του φωτός σε ένα κανονικό, επαναλαμβανόμενο μοτίβο. Επιπλέον, φαινόμενα ψευδοβαρύτητας που προκύπτουν από αδιαβατικές αλλαγές έχουν παρατηρηθεί σε φωτονικούς κρυστάλλους.
Η Kitamura και οι συνεργάτες της τροποποίησαν τους φωτονικούς κρυστάλλους εισάγοντας παραμόρφωση πλέγματος: μια σταδιακή παραμόρφωση των κανονικών χώρων μεταξύ των στοιχείων, διαταράσσοντας το δικτυωτό μοτίβο των κρυστάλλων πρωτονίων. Αυτό χειρίστηκε τη δομή της φωτεινής ζώνης των κρυστάλλων, με αποτέλεσμα μια καμπύλη διαδρομή δέσμης στη μέση – ακριβώς όπως μια δέσμη φωτός που διέρχεται από ένα τεράστιο ουράνιο σώμα όπως π.χ. Μαύρη τρύπα.
Τα πειραματικά αποτελέσματα, με τη διαφορά μετάδοσης μεταξύ της θύρας B και C δείχνουν ξεκάθαρα την κάμψη της δέσμης σε DPC. Credit: K. Kitamura et al.
Λεπτομέρειες του πειράματος και οι επιπτώσεις του
Συγκεκριμένα, στο πείραμά τους, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν έναν παραμορφώσιμο φωτονικό κρύσταλλο πυριτίου με σταθερά στοιχειώδους πλέγματος 200 μικρομέτρων και κύματα terahertz. Τα πειράματα απέδειξαν με επιτυχία την εκτροπή αυτών των κυμάτων.
«Όπως η βαρύτητα κάμπτει τη διαδρομή των αντικειμένων, έχουμε βρει έναν τρόπο να κάμπτουμε το φως μέσα σε ορισμένα υλικά», προσθέτει ο Kitamura. “Το σύστημα διεύθυνσης δέσμης εντός του εύρους terahertz μπορεί να αξιοποιηθεί σε επικοινωνίες 6G. Ακαδημαϊκά, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι φωτονικοί κρύσταλλοι μπορούν να εκμεταλλευτούν τα βαρυτικά αποτελέσματα, ανοίγοντας νέα μονοπάτια στο πεδίο της φυσικής του βαρυτονίου”, δήλωσε ο αναπληρωτής καθηγητής Masayuki Fujita του Πανεπιστημίου της Οσάκα.
Αναφορά: «Περίθλαση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με ψευδοβαρύτητα σε παραμορφώσιμους φωτονικούς κρυστάλλους» από τους Kanji Nanjyo, Yuki Kawamoto, Hitoshi Kitagawa, Daniel Hedland, Masayuki Fujita και Kyoko Kitamura, 28 Σεπτεμβρίου 2023, Φυσική ανασκόπηση α.
doi: 10.1103/PhysRevA.108.033522
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”