Το φως κινεί την ύλη

Το φως δεν είναι απλώς ένα μέσο που φωτίζει τον κόσμο μας, αλλά μπορεί επίσης να κινεί την ίδια την ύλη. Μια ομάδα ερευνητών από το Rice University απέδειξε ότι μια δέσμη laser είναι ικανή να μετακινήσει άτομα μέσα σε εξαιρετικά λεπτά υλικά, γνωστά ως διχαλκογενίδια μετάπτωσης μετάλλων Janus (TMDs). Τα συγκεκριμένα δισδιάστατα ημιαγώγιμα υλικά, πάχους μόλις λίγων ατομικών στρωμάτων, αποτελούν ένα από τα πιο καυτά πεδία έρευνας για την ανάπτυξη των μελλοντικών φωτονικών και κβαντικών τεχνολογιών.

Η μελέτη περιγράφει ένα φαινόμενο που δύσκολα θα φανταζόταν κανείς: το φως δεν περιορίζεται στο να ανακλάται ή να απορροφάται από την επιφάνεια του υλικού, αλλά ασκεί πραγματικές μηχανικές δυνάμεις πάνω του. Οι δυνάμεις αυτές είναι αρκετές ώστε να παραμορφώσουν το κρυσταλλικό πλέγμα των ατόμων, αλλάζοντας μετρήσιμα τις οπτικές του ιδιότητες. Το φαινόμενο αυτό ουσιαστικά δείχνει πώς η ενέργεια του φωτός μπορεί να «στρεβλώσει» την ύλη, αποκαλύπτοντας μια αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης σε ατομική κλίμακα που μέχρι τώρα δεν είχε παρατηρηθεί τόσο άμεσα.

Το μυστικό βρίσκεται στη μοναδική ασυμμετρία των ημιαγωγών Janus. Σε αντίθεση με τα περισσότερα δισδιάστατα υλικά, οι δύο πλευρές τους αποτελούνται από διαφορετικά χημικά στοιχεία. Αυτή η ανομοιομορφία δημιουργεί μια εσωτερική πολικότητα που καθιστά τα υλικά εξαιρετικά ευαίσθητα σε ηλεκτρικά πεδία, μηχανική πίεση και φυσικά, στο φως. Η εσωτερική αυτή ανισορροπία είναι ακριβώς που ενισχύει τις μικροσκοπικές δυνάμεις που προκαλεί η ακτινοβολία laser, κάτι που οι ερευνητές στο Τέξας εκμεταλλεύτηκαν με εντυπωσιακά αποτελέσματα.

Στο πείραμα, η ομάδα του Rice University δημιούργησε μια διπλή στρώση από μολυβδαίνιο, θείο και σελήνιο, συνδυασμένα με ένα άλλο στρώμα μολυβδαινίου και θείου. Όταν το υλικό εκτέθηκε σε ακτίνες laser διαφορετικών μηκών κύματος, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι το υλικό εκπέμπει φως με διπλάσια συχνότητα από εκείνη του εισερχόμενου φωτός, λειτουργώντας σαν ένας ευαίσθητος καθρέφτης των εσωτερικών του μεταβολών.

Υπό κανονικές συνθήκες, το μοτίβο SHG σχηματίζει ένα συμμετρικό σχήμα που θυμίζει εξάπεταλο άνθος. Όμως όταν το φως άρχισε να ωθεί τα άτομα, η συμμετρία αυτή διαταράχθηκε. Οι επιστήμονες είδαν καθαρά μια παραμόρφωση στο σχήμα της περίθλασης, απόδειξη ότι το φως είχε προκαλέσει πραγματική μετατόπιση των ατόμων μέσα στο υλικό. Μια μικροσκοπική, αλλά σαφής απόδειξη ότι η ενέργεια μιας φωτεινής δέσμης μπορεί να κινητοποιήσει ύλη.

Ο Kunyan Zhang, κύριος συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί πως τα υλικά Janus είναι ιδανικά για τέτοιου είδους παρατηρήσεις. Η ανομοιόμορφη δομή τους ενισχύει τις εσωτερικές οπτικές δυνάμεις σε τέτοιο βαθμό ώστε αυτές, που σε άλλα υλικά θα ήταν πρακτικά αόρατες, να γίνονται εδώ ανιχνεύσιμες. Με άλλα λόγια, η ίδια η ασυμμετρία τους λειτουργεί σαν μεγεθυντικός φακός για τις αλληλεπιδράσεις φωτός και ύλης.

Η σημασία αυτής της ανακάλυψης ξεπερνά τα όρια της ακαδημαϊκής περιέργειας. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η κατανόηση και αξιοποίηση του φαινομένου θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους για τον σχεδιασμό οπτοηλεκτρονικών συσκευών όπου το φως δεν θα είναι απλώς φορέας πληροφορίας, αλλά και ενεργός παράγοντας μεταβολής των φυσικών ιδιοτήτων ενός υλικού. Φανταστείτε οπτικά κυκλώματα που προσαρμόζονται δυναμικά στις ανάγκες τους, ή αισθητήρες που αντιδρούν στις μεταβολές του φωτός σε πραγματικό χρόνο.

Σε προοπτική, τέτοιες τεχνολογίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε φωτονοικά chips που λειτουργούν ταχύτερα και με μικρότερη παραγωγή θερμότητας σε σχέση με τα σημερινά ηλεκτρονικά. Επίσης, ανοίγουν τον δρόμο για την ανάπτυξη νέων κβαντικών συσκευών, ικανών να εκμεταλλεύονται τις δυνάμεις του φωτός όχι μόνο για την επικοινωνία δεδομένων, αλλά και για τη ρύθμιση της συμπεριφοράς τους με πρωτοφανή ακρίβεια.

[source]