Κυριακή 28 Γενάρη 2007
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Σελίδα 7
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"
ΠΟΛΙΤΙΣΜΟΣ
Βλέποντας με υπεραγωγούς

Ενα φωτόνιο αρκεί για να διαταράξει χιλιάδες από τα ζεύγη ηλεκτρονίων Κούπερ που υπάρχουν σε ένα υπεραγώγιμο υλικό. Μια νέα γενιά αισθητήρων βασισμένων σ' αυτή την αρχή μπορεί να ανιχνεύσει μεμονωμένα φωτόνια και να καθορίσει την ενέργειά τους με μεγάλη ακρίβεια
Ενα φωτόνιο αρκεί για να διαταράξει χιλιάδες από τα ζεύγη ηλεκτρονίων Κούπερ που υπάρχουν σε ένα υπεραγώγιμο υλικό. Μια νέα γενιά αισθητήρων βασισμένων σ' αυτή την αρχή μπορεί να ανιχνεύσει μεμονωμένα φωτόνια και να καθορίσει την ενέργειά τους με μεγάλη ακρίβεια
Τα μάτια μας είναι εξαιρετικοί ανιχνευτές φωτός. Προσδιορίζουν την ένταση, το χρώμα και τη χωρική κατανομή των ακτίνων φωτός που πέφτουν πάνω τους. Ο αμφιβληστροειδής του ανθρώπου έχει περισσότερα «εικονοστοιχεία» (πίξελ) από μια ψηφιακή βιντεοκάμερα: περίπου 6.000.000 χρωμοευαίσθητα κωνία και περισσότερα από 100.000.000 ευαίσθητα σε χαμηλό φωτισμό ραβδία. Ενα προσαρμοσμένο σε συνθήκες σκότους ραβδίο μπορεί να δώσει σήμα στον εγκέφαλο ακόμα κι όταν πέσει πάνω του ένα και μόνο φωτόνιο, δηλαδή η μικρότερη δυνατή ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (κβάντο). Μόλις 6 τέτοια σήματα από μεμονωμένα φωτόνια, είναι ικανά να δημιουργήσουν στον εγκέφαλο την αίσθηση της παρατήρησης μιας σπίθας. Αλλά τόσο τα μάτια, όσο και οι βιντεοκάμερες του εμπορίου απέχουν πολύ από το ιδανικό για ορισμένες εργασίες, επειδή μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο εκείνα τα φωτόνια, των οποίων οι συχνότητες βρίσκονται στο στενό φάσμα του ορατού φωτός. Επιπλέον, οι ικανότητές τους να ανιχνεύουν το χρώμα δεν περιλαμβάνουν τη μέτρηση της ακριβούς συχνότητας κάθε προσπίπτοντος φωτονίου.

Αντίθετα, οι επιστημονικοί και οι βιομηχανικοί ανιχνευτές φωτονίων μπορούν να κινηθούν έξω από τα στενά όρια του ορατού τμήματος του φάσματος, τόσο προς τις χαμηλότερες συχνότητες (μεγαλύτερα μήκη κύματος, μικρότερες ενέργειες), όπως η περιοχή των υπέρυθρων ακτίνων και των μικροκυμάτων, όσο και προς τις υψηλότερες συχνότητες των ακτίνων Χ και των ακτίνων γάμα. Ωστόσο, κι αυτοί οι ανιχνευτές είναι περιορισμένων ικανοτήτων. Ειδικότερα, για το ορατό τμήμα του φάσματος και για τα μεγαλύτερα μήκη κύματος, οι επιστήμονες δεν έχουν στη διάθεσή τους έναν ανιχνευτή ικανό να «δει» μεμονωμένα φωτόνια και να προσδιορίσει τη συχνότητά τους. Ο προσδιορισμός της συχνότητας των φωτονίων ανοίγει την πόρτα προς έναν πλούτο πληροφοριών για την ύλη που εξέπεμψε τα φωτόνια.

Μια επανάσταση στην ανίχνευση των φωτονίων βρίσκεται τώρα σε εξέλιξη, με την κατασκευή ανιχνευτών που βασίζονται στο φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας και είναι ικανοί για τέτοιες λεπτές μετρήσεις και πολλά ακόμη «κατορθώματα». Αυτά τα νέα εργαλεία βελτιώνουν εξαιρετικά την ευαισθησία των μετρήσεων σε ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, από τα ραδιοκύματα, έως το ορατό φως και παραπέρα έως τις ακτίνες γάμα. Οι εφαρμογές τους είναι πολλές: Στην αστροφυσική και την κοσμολογία, την ανίχνευση ακτίνων Χ κατά τη χημική ανάλυση των υλικών με βοήθεια επιταχυντών (σύγχροτρα), στο απόρρητο των επικοινωνιών με κβαντικές μεθόδους, στην ανίχνευση πυρηνικών υλικών, ακόμα και την ανίχνευση βιολογικών πολυμερών.

Η λειτουργία των ανιχνευτών αυτών αξιοποιεί εκείνη ακριβώς την ιδιότητα των υπεραγωγών που έχει περιορίσει μέχρι σήμερα την εφαρμογή τους στη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας. Η υπεραγωγιμότητα, δηλαδή η ροή ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς αντίσταση, προκύπτει όταν τα ηλεκτρόνια ενός κατάλληλου υλικού συνδυαστούν σε ζεύγη ηλεκτρονίων που ονομάζονται ζεύγη Κούπερ. Αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων έχουν την ιδιότητα να κινούνται μαζικά σαν υπερρευστό. Είναι ένα εύθραυστο κβαντομηχανικό φαινόμενο που εμφανίζεται σε ορισμένα υλικά μόνο όταν ψυχτούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Η ψύξη έχει ως αποτέλεσμα να μειώνονται οι δονήσεις των ατόμων του υλικού και να μην είναι ικανές να διασπάσουν τα ζεύγη Κούπερ. Αν όμως η θερμοκρασία ανέβει πάνω από ένα κρίσιμο όριο, τότε τα ζεύγη διαλύονται και μαζί τους εξαφανίζεται και το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας.

Πολλές υπεραγώγιμες συσκευές πρέπει να ψυχτούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-271, 15 oC). Αυτές οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν να επιτευχθούν με διαθέσιμες στο εμπόριο ψυκτικές συσκευές, που χρησιμοποιούν υγρό ήλιο, ή τη διαδικασία του αδιαβατικού απομαγνητισμού. Ωστόσο, η αναγκαιότητα τέτοιας βαθιάς ψύξης εμποδίζει πολλές εφαρμογές υπεραγωγιμότητας. Επί δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να κατασκευάσουν υλικά που να εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Η ευαισθησία της υπεραγωγιμότητας στη θερμοκρασία είναι το χαρακτηριστικό που την κάνει ιδανική για την κατασκευή ευαίσθητων αισθητήρων. Οι υπεραγώγιμοι ανιχνευτές φωτονίων στηρίζονται στο γεγονός ότι επαρκεί η ενέργεια ενός φωτονίου για να διασπάσει χιλιάδες ζεύγη Κούπερ. Η τοπική αλλαγή της υπεραγωγιμότητας έχει επίπτωση στη συνολική υπεραγωγιμότητα του υλικού και μπορεί να μετρηθεί με διάφορους τρόπους για να αποκαλυφθεί η ενέργεια (άρα και η συχνότητα και το μήκος κύματος) του φωτονίου. Γνωρίζοντας αυτά τα χαρακτηριστικά του φωτονίου μπορούμε να καταλάβουμε συνήθως με απόλυτη ακρίβεια ποιο υλικό εξέπεμψε το φωτόνιο.

Οι υπεραγώγιμοι ανιχνευτές φωτονίων θα συνεχίσουν να έχουν λιγότερα «πίξελ» από τον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή, αλλά θα ανοίξουν στην ανθρώπινη όραση νέους εκπληκτικούς ορίζοντες ανακαλύψεων.


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»


Κορυφή σελίδας
Ο καθημερινός ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ 1 ευρώ