Naukowe zabawy światłem. Tajemnice kwantowej walizki
Przykładem takiego ciekawego eksperymentu jest wprawienie przez badaczy z Uniwersytetu Pensylwanii w stan lewitacji wykonanych w tworzywa sztucznego płytek przy użyciu samego tylko światła. Dokładniej mówiąc - dzięki energii pochodzącej z zestawu jasnych diod LED umieszczonych w komorze próżniowej, udało im się wprawić w ruch dwie małe płytki z Mylaru (1). Jak twierdził magazyn "Wired", eksperymenty te to prawdziwy przełom, ponieważ naukowcy nigdy wcześniej nie byli w stanie sprawić, by tak duży obiekt unosił się w powietrzu przy użyciu samego światła.
Uczeni chcieliby wykorzystać tę technologię do badania mezosfery, wysoko położonego regionu atmosfery, znanego z niedostepności. Nawet NASA jest zainteresowana potencjalnymi zastosowaniami tej technologii w eksploracji Marsa, zwłaszcza, że ciśnienie w atmosferze czerwonej planety jest podobne jak w ziemskiej mezosferze. Napędzane światłem lewitatory mogłyby pomóc w zbieraniu danych o temperaturze i składzie marsjańskiej atmosfery.
W październiku 2020 roku media podały, że fizycy z powodzeniem przeprowadzili kontrolowany transport zmagazynowanego światła. Zespół fizyków kierowany przez profesora Patricka Windpassingera z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji (JGU) przetransportował światło przechowywane w pamięci kwantowej na odległość 1,2 milimetra. Wykazali oni, że proces ma niewielki wpływ na właściwości przechowywanego światła. Jako medium do przechowywania światła naukowcy wykorzystali ultrazimne atomy rubidu-87.
"Przechowywaliśmy światło, wkładając je niejako do walizki, tyle że w naszym przypadku walizka była wykonana z chmury zimnych atomów. Przenieśliśmy tę walizkę na niewielką odległość, a następnie wyciągnęliśmy światło z powrotem. Jest to bardzo interesujące, choćby dla dziedziny komunikacji kwantowej, ponieważ światło nie jest zbyt łatwe do "przechwycenia", a jeśli chcesz je przetransportować gdzie indziej w kontrolowany sposób, zwykle kończy się to jego utratą", powiedział "Science" profesor Patrick Windpassinger, wyjaśniając ten skomplikowany proces.
Kontrolowana manipulacja i przechowywanie informacji kwantowej, jak również możliwość jej odzyskania, są niezbędnymi warunkami osiągnięcia postępu w komunikacji kwantowej oraz wykonywania odpowiednich operacji komputerowych w świecie kwantowym.
Optyczne pamięci kwantowe, które pozwalają na przechowywanie i pobieranie na żądanie informacji kwantowych przenoszonych przez światło pozwalają skalować sieci komunikacji kwantowej. Mogą one na przykład stanowić ważne elementy konstrukcyjne powtarzaczy kwantowych lub narzędzia w liniowych obliczeniach kwantowych.
Przy wykorzystaniu techniki znanej jako elektromagnetycznie indukowana przezroczystość (EIT), impulsy światła mogą być uwięzione i spójnie mapowane w celu wywołania kolektywnego wzbudzenia atomów. Ponieważ proces ten jest w dużej mierze odwracalny, światło może być ponownie odzyskane z wysoką wydajnością.
Miesiąc wcześniej naukowcy z Uniwersytetu Stanforda poinformowali o udanym spowolnieniu i sterowaniu światłem za pomocą rezonansowych nanoanten. W artykule opublikowanym w "Nature Nanotechnology", badacze z laboratorium Jennifer Dionne, opisują wykorzystanie ultracienkich chipów krzemowych do konstrukcji nanoskalowych prętów, które rezonansowo więżą światło, a następnie uwalniają je lub przekierowują. Rezonatory takie mogą być stosowane w przyszłości do obliczeń kwantowych, wirtualnej rzeczywistości i rzeczywistości rozszerzonej, WiFi opartego na świetle (Li-Fi), a nawet do wykrywania wirusów takich jak SARS-CoV-2. Urządzenia wykazały tzw. współczynniki jakości do 2500, o dwa rzędy wielkości wyższe niż jakiekolwiek podobne urządzenia osiągnęły wcześniej.
Dwa lata wcześniej zespołowi Roberto Merlina i Meredith Henstridge udało się za pomocą mikroskopijnych urządzeń wygiąć światło wewnątrz kryształu, aby wygenerować promieniowanie synchrotronowe w laboratorium (2). Naukowcy użyli urządzenia do zginania światła widzialnego, aby uzyskać światło o długości fali w zakresie terahercowym. Duże obiekty generujące promieniowanie synchrotronowe są zazwyczaj wielkości kilku stadionów piłkarskich. Zamiast tego, zespół opracował sposób wytwarzania promieniowania synchrotronowego poprzez drukowanie wzoru mikroskopijnych złotych anten na wypolerowanej powierzchni kryształu tantalanu litu.
Użyto lasera do impulsowania światła przez wzór anten, które ugięły światło i wytworzyły promieniowanie synchrotronowe, przydatne do obrazowania w naukach biomedycznych, wykorzystywane np. do rozróżniania tkanki nowotworowej od zdrowej.
Z opisanych wyżej laboratoryjnych zabaw wynika, jak widać, nie tylko przyjemność odkrywania nowych zjawisk i możliwości manipulacji światłem. Wyłaniają się nich praktyczne i czasem bardzo obiecujące zastosowania w nauce, medycynie, w technice.
Mirosław Usidus
