Κυριακή 6 Αυγούστου 2000
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"
Ατομικά κάτοπτρα

Δέσμες υλικών σωματίων μπορούν να συμπεριφέρονται όπως οι δέσμες ακτίνων φωτός, επιτρέποντας σημαντικές εφαρμογές του νέου κλάδου της οπτικής μαζικών σωματιδίων

Από τα αρχαία χρόνια γνωρίζουμε ότι με τη χρήση κατόπτρων μπορούμε να αλλάξουμε την πορεία μιας φωτεινής ακτίνας και να την εκτρέψουμε προς διάφορες επιθυμητές κατευθύνσεις. Η ανάκλαση του φωτός είναι η φυσική διαδικασία στην οποία οφείλεται η λειτουργία του κατόπτρου. Την ίδια διαδικασία όμως μπορούμε να συναντήσουμε και στην περίπτωση δεσμών οι οποίες αποτελούνται από μαζικά σωμάτια (ηλεκτρόνια, νετρόνια, άτομα) με αποτέλεσμα την πλήρη σχεδόν αναλογία μεταξύ ακτινών φωτός και δεσμών σωματιδίων. Η αναλογία ανάμεσα στην κίνηση μαζικών σωματιδίων και στη διάδοση του φωτός θεμελιώθηκε σε θεωρητική βάση το 1831 από τον Χάμιλτον ο οποίος έδειξε ότι ένα σωμάτιο ακολουθεί εκείνη τη διαδρομή η οποία ικανοποιεί την αρχή της ελάχιστης δράσης όπως ακριβώς μια φωτεινή ακτίνα, η οποία όταν διαδίδεται από ένα σημείο σε ένα άλλο, ακολουθεί το συντομότερο δρόμο (Αρχή του Φερμά).

Ομοιότητες και διαφορές

Στον 20ό αιώνα περάσαμε σε πειραματικές προσπάθειες και τεχνολογικές εφαρμογές με δέσμες από μαζικά σωμάτια τα οποία όταν παρουσιάζουν «κλασική» συμπεριφορά (δηλαδή μπορούν να θεωρηθούν σαν εντοπισμένες οντότητες με ταυτόχρονα γνωστές τη θέση και την ορμή τους) τότε η αναλογία με τη γεωμετρική οπτική όπου το φως περιγράφεται ως σύνολο από οδεύουσες ακτίνες, είναι επαρκής και σχεδόν πλήρης. Υπάρχουν δύο βασικά σημεία διαφοροποίησης ανάμεσα στις φωτεινές και τις «υλικές δέσμες»: α) η βαρύτητα λόγω της μάζας που έχουν τα υλικά σωμάτια και η οποία επιδρά καταστρεπτικά στην ευθύγραμμη διάδοση της δέσμης, β) η διαφορά στην ταχύτητα με δεδομένο ότι το φως τρέχει με την ίδια ταχύτητα για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές ενώ τα μαζικά σωμάτια έχουν μια ποικιλία ταχυτήτων ενώ ακόμη μπορούν και να φρενάρουν. Σήμερα είμαστε σε θέση να μιλάμε για Οπτική Μαζικών Σωματιδίων όπως ηλεκτρονίων, νετρονίων και τέλος ατόμων και εν συντομία περιγράφουμε τα κυριότερα στάδια ανάπτυξης αυτού του τομέα.

Το 1927 οι Ντάβισον και Γκέρμερ και ο Τόμσον έδειξαν την περίθλαση των ηλεκτρονίων ενώ το 1930 οι Εστερμαν και Στερν απέδειξαν την περίθλαση ατόμων από μια κρυσταλλική επιφάνεια. Τα προβλήματα τα οποία αναδείχτηκαν εκείνη την εποχή, ήταν η προετοιμασία μιας πηγής σωματιδίων με υψηλή ένταση και συγκεκριμένη ταχύτητα (μονοχρωματική δέσμη) καθώς και ότι το μήκος κύματος των σωματιδίων ήταν πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός. Τα ηλεκτρόνια έχουν τα πλεονεκτήματα της μικρότερης μάζας, άρα παρουσιάζουν μεγαλύτερο μήκος Ντε Μπρόγκλι, και της ισχυρής αλληλεπίδρασης με στατικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Συνεπώς δεν είναι τυχαίο ότι η οπτική ηλεκτρονίων αναπτύχθηκε πολύ γρήγορα με κλασικά επιτεύγματα το μικροσκόπιο ηλεκτρονίων και τη λιθογραφία ηλεκτρονίων.

Πλεονεκτήματα

Η οπτική νετρονίων άρχισε αμέσως μετά την ανακάλυψη ισχυρών πηγών νετρονίων. Η δυνατότητα περίθλασης νετρονίων μέσα σε κρυστάλλους, οδήγησε στη συμβολομετρία νετρονίων σε μονοκρυστάλλους. Οι ίδιες τεχνικές δοκιμάστηκαν και σε άτομα. Για παράδειγμα το 1951 οι Φρίντμπουργκ και Πάουλ εστίασαν δέσμες ατόμων χρησιμοποιώντας πεδίο μαγνητικού εξαπόλου αλλά η αλληλεπίδραση ήταν τόσο ασθενής που δεν μπορούσε να οδηγήσει σε ανάπτυξη της ατομικής οπτικής. Η χρήση ατομικών σωματιδίων για οπτική έχει αρκετά πλεονεκτήματα γιατί: α) Τα άτομα έχουν πολύ μικρότερο κβαντικό μήκος κύματος. Αρα εξασφαλίζουμε διατάξεις με μεγαλύτερη αναλυτική ικανότητα, καθώς αυτή εξαρτάται από το μήκος κύματος. β) Η οπτική με μαζικά σωμάτια είναι περισσότερο ευαίσθητη στην επίδραση της βαρύτητας ή στην πολυπλοκότητα της εσωτερικής ηλεκτρονικής δομής των ατόμων. Σαν αποτέλεσμα, τα άτομα λειτουργούν σαν αισθητήρες της βαρύτητας. γ) Οι ατομικές δέσμες μπορούν εύκολα να παραχθούν και υπάρχει μεγάλη ποικιλία ατόμων. δ) Μπορούν εύκολα να παραχθούν μονοχρωματικές ατομικές δέσμες με τα ατομικά λέιζερ.

Επιτυχίες και προβλήματα

Ενα από τα πρώτα επιτεύγματα της ατομικής οπτικής ήταν η κατασκευή κατόπτρων για δέσμες ατόμων. Πρόκειται για διατάξεις αποτελούμενες από άτομα κινούμενα προς τη διαχωριστική επιφάνεια δύο υλικών τα οποία αλλάζουν διεύθυνση κίνησης ακολουθώντας το νόμο της ανακλάσεως της οπτικής. Υπάρχουν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για να κατασκευαστούν ατομικά κάτοπτρα: α) μέσω ανάκλασης των ατομικών σωματιδίων από επιφάνειες και β) μέσω ανάκλασης από δυναμικά πεδία, που επάγονται από στατικά ή οπτικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Οι ανακλάσεις από επιφάνειες είναι αρκετές φορές πολύπλοκες λόγω της εμφάνισης των δυνάμεων Βαν Ντερ Βάαλς γι' αυτό συνήθως προτιμούμε τη δεύτερη περίπτωση.

Μια από τις πρώτες εισηγήσεις για την κατασκευή του ατομικού κατόπτρου έγινε από τους Κουκ και Χιλ το 1982, όπου προτάθηκε η ανάκλαση ατόμων από φευγαλέα κύματα ακτινοβολίας λέιζερ όταν το φως υφίσταται ολική εσωτερική ανάκλαση στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ κενού και ενός διηλεκτρικού υλικού. Η τεχνική αυτή πραγματοποιήθηκε από τον Ρώσο φυσικό Μπαλίκιν και τους συνεργάτες του το 1988 χρησιμοποιώντας άτομα νατρίου και επιφάνειες χαλαζία. Το 1998 είχαμε την πρόταση ενός νέου τύπου κατόπτρου με χρήση ατόμων Ρίντμπεργκ (δηλαδή ατόμων με πολύ ισχυρές επαγόμενες διπολικές ροπές) όταν αυτά αλληλεπιδρούν με μη ομογενή συνεχή ηλεκτρικά πεδία. Ως ατομικά κάτοπτρα μπορούν, επίσης, να χρησιμοποιηθούν πολύ ισχυρά ανομοιογενή μαγνητικά πεδία τα οποία όμως δεν αποδείχτηκαν αρκετά πρακτικά. Μια προσπάθεια βελτίωσής τους οδήγησε στη χρήση ισχυρών βαθμίδων μαγνητικού πεδίου όπως αυτές εμφανίζονται κοντά στην επιφάνεια μαγνητικών υλικών σαν τις δισκέτες υπολογιστών ή βιντεοταινίες. Αλλά και αυτές οι δομές δεν ήταν απαλλαγμένες από προβλήματα (1998).


Βασίλης ΛΕΜΠΕΣΗΣ
Δρ. Θεωρητικής Φυσικής

Ηχητική διασύνδεση με τον εγκέφαλο

Ελπίδες για μερική αποκατάσταση της ακοής σε όσους έχουν κατεστραμμένο ακουστικό νεύρο

Για δεκάδες χιλιάδες ανθρώπους με βαριά κώφωση τα κοχλιακά προσθετικά έχουν δώσει κάποια λύση. Αυτές οι συσκευές ερεθίζουν ηλεκτρικά το ακουστικό νεύρο μέσα στον κοχλία, επιτρέποντας σε αρκετούς κωφούς να συνομιλούν χωρίς να βλέπουν τα χείλη του συνομιλητή τους. Αλλά για εκείνους που έχουν βλάβη και στα δύο ακουστικά νεύρα οι συσκευές αυτές δεν προσφέρουν τίποτα. Ερευνητές στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ ετοιμάζουν μια λύση για το πρόβλημα αυτό. Μια συσκευή που θα συνδέεται απευθείας με τον εγκέφαλο και συγκεκριμένα με τον προμήκη μυελό, στο σημείο όπου εισέρχεται και το ακουστικό νεύρο.

Οπως και τα κοχλιακά προσθετικά, η συσκευή αυτή αποτελείται από έναν εξωτερικό επεξεργαστή φωνής και έναν δέκτη τοποθετημένο μόνιμα κάτω από το δέρμα πίσω από το αυτί. Η διαφορά βρίσκεται στο ότι το καλώδιο από το δέκτη παρακάμπτει τον κοχλία και προχωρά ως τον προμήκη μυελό, σε μια από τις περιοχές υποδοχής ακουστικών πληροφοριών.

Οι συσκευές αυτού του είδους δεν είναι εντελώς νέες. Υπάρχουν ήδη από τα τέλη της δεκαετίας του 1970. Το πρόβλημα είναι ότι το μόνο που κατάφερναν είναι η βελτίωση της ικανότητας των κωφών να διαβάζουν τα χείλη και να ακούν ήχους του περιβάλλοντος, αλλά όχι να καταλαβαίνουν την ομιλία χωρίς να βλέπουν το συνομιλητή τους. Η περιορισμένη αποτελεσματικότητά τους οφείλεται στο γεγονός ότι οι περιοχές λήψης ακουστικών πληροφοριών στον προμήκη μυελό παρουσιάζουν μια διαστρωμάτωση, όπου κάθε στρώμα αντιλαμβάνεται ήχους διαφορετικής συχνότητας. Οσο βαθύτερα είναι το στρώμα τόσο υψηλότερης συχνότητας ήχους αντιλαμβάνεται. Για να γίνει αντιληπτή η ανθρώπινη ομιλία πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον 4 κανάλια διαφορετικής συχνότητας. Η νέα συσκευή θα διαθέτει 6 ακροδέκτες από ιρίδιο, διαφορετικού μήκους έτσι ώστε να συνδέεται με 6 διαφορετικά στρώματα.


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»




Διαβάστε στο «Ρ»

Ο καιρός
Weather data from openweathermap.org