Δημιουργήθηκε το πρώτο κβαντικό μεταυλικό!

By | Οκτώβριος 17, 2013

Quantum metamaterialΓερμανοί ερευνητές σχεδίασαν, έχτισαν και μελέτησαν το πρώτο μεταυλικό φτιαγμένο από υπεραγώγιμους κβαντικούς ταλαντωτές.

Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί εξερευνούν τις δυνατότητες μιας εντελώς νέας τάξης υλικών γνωστά σαν μεταυλικά. Αυτά είναι φτιαγμένα από επαναλαμβανόμενα σχέδια από δομές μικρότερες από το μήκος του φωτός που αλληλεπιδρούν με φωτόνια, κατευθύνοντάς τα με μοναδικούς τρόπους, αδύνατους για φυσικά υλικά.

Τα πρώτα μεταυλικά έχουν δημιουργηθεί από split-ring resonators (κομμάτια από μέταλλο σε σχήμα C) σε μέγεθος δεκάρικου που σχεδιάστηκαν για να αλληλεπιδρούν με μικροκύματα με μήκος κύματος στο μέγεθος μερικών εκατοστών. Αυτά τα μεταυλικά είχαν εξωτικές ιδιότητες, όπως αρνητικό δείκτη διάθλασηε που μπορούσε να λυγίσει το φως “ανάποδα”.

Αλλά δεν ήταν τέλεια, και ένα από τα προβλήματά τους ήταν ότι εισήγαγαν απόλειες λόγω της εσωτερικής τους αντίστασης.

Δεν χρειάζεται πολλή φαντασία για μια λύση στο πρόβλημα: θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν υπεραγώγιμοι ταλαντωτές που έχουν μηδενική αντίσταση.

Κα αυτή είναι μια καλή ιδέα. Στην πράξη, ωστόσο, είναι απίστευτα δύσκολη. Πέρα από την προφανή δυσκολία ότι οι θερμοκρασίες όπου τα υλικά είναι υπεραγώγιμα βρίσκονται ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν, το βασικό πρόβλημα είναι ότι ένας υπεραγώγιμος ταλαντωτής είναι μια κβαντική συσκευή με περίεργες κβαντικές ιδιότητες που τον κάνουν ιδιαίτερα δύσκολο στο χειρισμό.

Συγκεκριμένα, αυτές οι ιδιότητε ςίναι εκθετικά ευαίσθητες στο φυσικό σχήμα του ταλαντωτή. Έτσι, μικρές διαφορές ανάμεσα σε δύο ταλαντωτές μπορούν να οδηγήσουν σε τεράστιες διαφορές στη συχνότητα που ταλαντώνονται.
Και μιας και τα μεταυλικά είναι περιοδικοί πίνακες από ίδιες ιδιότητες, αυτό είναι πρόβλημα. Πραγματικά, κανείς δεν έχει φτιάξει ένα κβαντικό μεταυλικό για αυτό ακριβώς τον λόγο.
Σήμερα, αυτό αλλάζει χάρη στη δουλτεά της ομάδας του Pascal Macha στο Τεχνολικικό Ινστιτούτο της Καρλσρούης στη Γερμανιά, που δημιούργησαν και μελέτησαν το πρώτο κβαντικό μεταυλικό, που κατασκεύασαν με μια συστοιχία 20 υπεραγώγιμων κβαντικών κυκλωμάτων ενσωματωμένων σε έναν ταλαντωτή μικροκυμάτων.
Το πείραμα είχε μια σημαντική πρόκληση. Έπρεπε να κατασκευάσουν τα κβαντικά τους κυκλώματα από αλουμίνιο σε ένα ταλαντωτή νιοβίου, τον οποιό λειτούργησαν σε θερμοκρασία κάτω από 20 miliKelvin (20 χιλιοστά ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν).
Η επιτυχία τους έρχεται από δύο παράγοντες. Ο πρώτος είναι η ελαχιστοποίηση των διαφορών ανάμεσα σε κάθε κβαντικό κύκλωμα έτσι ώστε λιγότερο από 5% διαφορά στο ρεύμα που περνούσε από το κάθε ένα.

Ο δεύτερος είναι ο έξυπνος σχεδιασμός. Ένα κβαντικό κύκλωμα επηρεάζει ένα εισερχόμενο φωτόνιο αντιδρώντας μαζί του. Για να του κάνουν αυτό σαν ομάδα, τα κβαντικά κυκλώματα πρέπει επίσης να αντιδρούν το ένα με το άλλο.

Το πρόβλημα στο παρελθόν είναι ότι οι φυσικοί τακτοποιούσαν τα κυκλώματα έτσι ώστε η συνολική κατάστασή τους να πρέπει να είναι μια υπέρθεση των καταστάσεων όλων των κυκλωμάτων. Έτσι, αν ένα μοναδικό κύκλωμα ήταν εκτός θέσης, ολόκληρο το πείραμα αποτύγχανε.

Η ομάδα του Macha προσπέρασαν το πρόβλημα με το να εισάγουν τα κυκλώματα σε έναν ταλαντωτή μικροκυμάτων – ένα θάλαμα μήκους περίπου όσο το μήκος κύματος στο οποίο τα μικροκύματα είχαν παγιδευτεί.

Για να αλληλεπιδράσει με ένα φωτόνιο, κάθε κβαντικό κύκλωμα χρειάζεται να δεθεί μόνο με τον ταλαντωτή και τους κοντινότερους γείτονές του. Αυτό είναι πολύ πιο εύκολο να γίνει με ένα μεγάλο σύνολο από κβαντικά κυκλώματα.

Και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι δούλεψε, τουλάχιστον εν μέρει.

Η αλληλεπίδραση με τα κβαντικά κυκλώματα αλλάζει τη φάση των φωτονίων που εκπέμπονται με μικρούς αλλά μετρήσιμους τρόπους. Έτσι με τη μελέτη αυτής της αλλαγής, η ομάδα του Macha μπόρεσε να εξάγει το είδος της αλληλεπίδρασης που συνέβαινε.

Αυτό που είδαν ήταν ότι 8 από τα κυκλώματα δημιούργησαν ένα συνεπές σύνολο που επηρέασε τα φωτόνια. Αλλά με το πέρασμα του χρόνου, αυτό έσπασε σε δύο διαφορετικές ομάδες από 4 κβαντικά κυκλώματα.

Έτσι δημιουργείτο το ερώτημα γιατί το μεγάλο σύνολο έσπασε σε δύο μικρότερα, κάτι που η ομάδα του Macha θα ερευνήσει στο μέλλον.

Και παράλληλα, δημιουργείται η πιθανότητα για μια νέα γενιά συσκευών. “Κβαντικά κυκλώματα… που βασίζονται σε αυτό το εισαγωγικό πείραμα θα προσφέρουν λύσεις για μια μεγάλη γκάμα εφαρμογών στο μέλλον, από τον εντοπισμό μοναδικών φωτονίων μικροκυμάτων έως την αλλαγή φάσης, κβαντική διδιάθλαση και υπερφωτινές φασικές μεταβάσεις”, γράφει η ομάδα του Macha.

Συνολικά ένα σημαντικό πρώτο βήμα για τα κβαντικά μεταυλικά.

Πηγή: http://arxiv.org/abs/1309.5268: Implementation of a Quantum Metamaterial

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Αυτός ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για να μειώσει τα ανεπιθύμητα σχόλια. Μάθετε πώς υφίστανται επεξεργασία τα δεδομένα των σχολίων σας.