Αν και από τις αρχές του 20ού αιώνα είναι γνωστό πως το φως σε ορισμένες περιπτώσεις δεν εκδηλώνει ιδιότητες κύματος αλλά σωματιδίου, τις δεκαετίες που ακολούθησαν καμία ερευνητική ομάδα δεν είχε μπορέσει να παρατηρήσει το φως, τη στιγμή που εκδηλώνει ταυτόχρονα αυτή τη διττή συμπεριφορά.
Κάτι που κατάφεραν πριν από λίγες ημέρες Ελβετοί επιστήμονες από την Ομοσπονδιακή Πολυτεχνικής Σχολή της Λοζάνης (EPFL), οι οποίοι για πρώτη φορά εξασφάλισαν ένα στιγμιότυπο όπου το φως αποτυπώνεται στη διπλή του φύση.
Παρόλο που ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός του φωτός, όπως και της ύλης, περιγράφεται πλήρως από την κβαντική θεωρία, κανένα πείραμα δεν είχε καταφέρει να «συλλάβει» το φως τη στιγμή που εκδηλώνει παράλληλα και τις δύο ιδιότητες.
Έτσι, τα μέχρι σήμερα διαθέσιμα στιγμιότυπα «αποθανάτιζαν» αποκλειστικά είτε την κυματική του φύση είτε τη σωματιδιακή.
Για να αποτυπώσουν και τις δύο συμπεριφορές ταυτόχρονα, οι Ελβετοί επιστήμονες ακολούθησαν μια εντελώς διαφορετική πειραματική προσέγγιση, την οποία περιγράφουν σε πρόσφατο άρθρο τους στο περιοδικό Nature Communications.
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE (EPFL)
Η ανακάλυψη της σωματιδιακής συμπεριφοράς έγινε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος με αυτό τον τρόπο κατάφερε να εξηγήσει πώς λειτουργεί το «φωτοηλεκτρικό φαινόμενο», δηλαδή η διαδικασία εκπομπής ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο, όταν προσπίπτει σε αυτό υπεριώδης ακτινοβολία.
Έκτοτε, έχει επιβεβαιωθεί από αναρίθμητα πειράματα, τα οποία έδειξαν πως όντως το φως σε ορισμένες περιπτώσεις μοιάζει να αποτελείται από διακριτά «σωματίδια», τα φωτόνια. Ωστόσο, ποτέ έως τώρα δεν είχαν παρατηρηθεί φωτόνια, τη στιγμή που το φως εκδηλώνει παράλληλα και την κυματική του συμπεριφορά.
Με επικεφαλής τον φυσικό Φαμπρίτσιο Καρμπόνε από το EPFL, οι Ελβετοί ερευνητές ακολούθησαν μία πρωτότυπη πειραματική προσέγγιση, αφού αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν ηλεκτρόνια για να εξασφαλίσουν το στιγμιότυπο.
Έτσι, «βομβάρδισαν» με παλμούς λέιζερ ένα μεταλλικό σύρμα νανομετρικών διαστάσεων, ώστε να προσδώσουν ενέργεια στα φορτισμένα σωματίδια του σύρματος, τα οποία άρχισαν να ταλαντώνονται.
Το φως διαδιδόταν μέσα στο σύρμα σε δύο κατευθύνσεις, όπως τα αυτοκίνητα σε μια λεωφόρο.
Όταν συναντιούνταν δύο κύματα αντίθετων κατευθύνσεων, τότε σχημάτιζαν ένα νέο στάσιμο κύμα, το οποίο ονομάζεται έτσι επειδή στην πραγματικότητα δεν διαδίδει ενέργεια στον χώρο.
Αυτό το στάσιμο κύμα λειτουργούσε ως η πηγή φωτός στο πείραμα, ακτινοβολώντας μέσα στο σύρμα. Επομένως, οι επιστήμονες εξέπεμπαν δέσμες ηλεκτρονίων κοντά στο σύρμα, χρησιμοποιώντας τις για να απεικονίσουν το στάσιμο κύμα φωτός.
Καθώς τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούσαν με το στάσιμο κύμα, άλλα επιταχύνονταν και άλλα επιβραδύνονταν. Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο για να αποτυπώσουν τις θέσεις όπου γινόταν αυτή η μεταβολή στην ταχύτητα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να οπτικοποιήσουν το στάσιμο κύμα.
Παρόλο που με αυτό το φαινόμενο εκδηλωνόταν η κυματική φύση του φωτός, ταυτόχρονα αποκάλυπτε και τη σωματιδιακή του συμπεριφορά. Όταν τα ηλεκτρόνια διέρχονταν κοντά από το στάσιμο κύμα, τότε «προσέκρουαν» στα φωτόνια.
Όπως αναφέρθηκε πριν, έτσι άλλαζε η ταχύτητά τους, κάνοντάς τα να κινούνται είτε ταχύτερα είτε πιο αργά.
Αυτή η αλλαγή στην ταχύτητα εμφανιζόταν σαν ανταλλαγή ενεργειακών «πακέτων» ανάμεσα στα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, με τα «πακέτα» αυτά να μαρτυρούν πως το φως στο σύρμα συμπεριφερόταν και σαν να αποτελείται από σωματίδια.
«Το πείραμα αυτό δείχνει, για πρώτη φορά, ότι μπορούμε να απαθανατίσουμε απευθείας τα “εξωτικά” κβαντικά φαινόμενα», αναφέρει στο σάιτ της Σχολής ο Καρμπόνε.
Επιπλέον, αυτό το πρωτοποριακό επίτευγμα μπορεί να αποδειχθεί σημαντικό και σε μελλοντικές τεχνολογίες, εκτός από τη βασική έρευνα. Κι αυτό γιατί, όπως αναφέρει ο Καρμπόνε, η δυνατότητα ελέγχου των κβαντικών φαινομένων σε νανοκλίμακα ανοίγει νέους δρόμους στην προσπάθεια για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.
