Την περίπλοκη συμπεριφορά του φωτός αποκωδικοποιούν οι επιστήμονες σε νέα μελέτη

Την περίπλοκη συμπεριφορά του φωτός αποκωδικοποιούν οι επιστήμονες σε νέα μελέτη μέσα από την διερεύνηση της αλληλεπίδρασης των ακτίνων φωτός σε μια κοιλότητα που έμοιαζε με αρένα σταδίου.

Η αξιοποίηση και ο έλεγχος του φωτός παίζει καθοριστικό ρόλο στην τεχνολογική πρόοδο, καθώς επηρεάζει την συλλογή ενέργειας, τους υπολογισμούς, τις επικοινωνίες και τη βιοϊατρική. 

Ωστόσο στον πραγματικό κόσμο η περίπλοκη συμπεριφορά του φωτός παρουσιάζει προκλήσεις και δεν είναι εύκολο να ελεγχθεί.

Ο φυσικός Andrea Alù κάνει έναν παραλληλισμό μεταξύ της συμπεριφοράς του φωτός σε χαοτικά συστήματα και ενός παιχνιδιού μπιλιάρδου, όπου μικρές παραλλαγές στην εκτόξευση της πρώτης μπάλας έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές τροχιές της μπάλας στο τραπέζι.

«Στο μπιλιάρδο, μικροσκοπικές παραλλαγές στον τρόπο με τον οποίο εκτοξεύεις τη λευκή μπάλα θα οδηγήσουν σε διαφορετικά μοτίβα των σφαιρών που αναπηδούν γύρω από το τραπέζι», δήλωσε ο Alù, καθηγητής Φυσικής στο Κέντρο Μεταπτυχιακών Σπουδών CUNY.

«Οι ακτίνες φωτός λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο σε μια χαοτική κοιλότητα. Γίνεται δύσκολο να μοντελοποιήσεις για να προβλέψεις τι θα συμβεί επειδή θα μπορούσες να εκτελέσεις ένα πείραμα πολλές φορές με παρόμοιες ρυθμίσεις και θα λαμβάνεις διαφορετική απάντηση κάθε φορά» τόνισε ο καθηγητής Φυσικής.

Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Physics, μια ομάδα με επικεφαλής τους ερευνητές στο Κέντρο Μεταπτυχιακών Σπουδών CUNY περιγράφεται μια νέα πλατφόρμα για τον έλεγχο της χαοτικής συμπεριφοράς του φωτός προσαρμόζοντας τα μοτίβα διάχυσης του χρησιμοποιώντας το ίδιο το φως.


Παραδοσιακές πλατφόρμες εναντίον χαοτικών κοιλοτήτων

Οι συμβατικές πλατφόρμες για τη μελέτη της συμπεριφοράς του φωτός συνήθως χρησιμοποιούν κυκλικές ή κανονικού σχήματος κοιλότητες συντονισμού στις οποίες το φως αναπηδά και διασκορπίζεται με πιο προβλέψιμα μοτίβα.

Σε μια κυκλική κοιλότητα, για παράδειγμα, επιβιώνουν μόνο προβλέψιμες και διακριτές συχνότητες (χρώματα φωτός) και κάθε υποστηριζόμενη συχνότητα σχετίζεται με ένα συγκεκριμένο χωρικό μοτίβο ή τρόπο λειτουργίας.

Ένας τρόπος σε μια συχνότητα είναι αρκετός για την κατανόηση της φυσικής που ισχύει σε μια κυκλική κοιλότητα. Ωστόσο αυτή η προσέγγιση δεν απελευθερώνει την πλήρη πολυπλοκότητα των συμπεριφορών του φωτός που παρατηρούνται σε πολύπλοκες πλατφόρμες, είπε ο ερευνητής, Xuefeng Jiang.

«Σε μια κοιλότητα που υποστηρίζει χαοτικά μοτίβα φωτός, οποιαδήποτε συχνότητα που εγχέεται στην κοιλότητα μπορεί να διεγείρει χιλιάδες μοτίβα φωτός, κάτι που συμβατικά θεωρείται ότι καταδικάζει τις πιθανότητες ελέγχου της οπτικής απόκρισης. Έχουμε αποδείξει ότι είναι δυνατό να ελέγξουμε αυτή τη χαοτική συμπεριφορά», ανέφερε ο Xuefeng Jiang.


Η κοιλότητα σε σχήμα γηπέδου

Για να αντιμετωπίσει την πρόκληση, η ερευνητική ομάδα σχεδίασε μια μεγάλη κοιλότητα σε σχήμα σταδίου με ανοιχτή κορυφή και δύο κανάλια σε αντίθετες πλευρές που κατευθύνουν το φως στην κοιλότητα. Καθώς το εισερχόμενο φως διασκορπίζεται από τους τοίχους και αναπηδά, μια κάμερα από πάνω καταγράφει την ποσότητα φωτός που διαφεύγει από το στάδιο και τα χωρικά μοτίβα του.

Η συσκευή διαθέτει πόμολα στα πλαϊνά της για τη διαχείριση της έντασης φωτός στις δύο εισόδους και της καθυστέρησης μεταξύ τους. Τα αντίθετα κανάλια προκαλούν τις δέσμες φωτός να παρεμβαίνουν μεταξύ τους στην κοιλότητα του σταδίου, επιτρέποντας τον έλεγχο της σκέδασης της μιας δέσμης από την άλλη μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως συνεκτικού ελέγχου – ουσιαστικά, χρησιμοποιώντας το φως για τον έλεγχο του φωτός, σύμφωνα με τους ερευνητές.

Επιπλέον προσαρμόζοντας τη σχετική ένταση και την καθυστέρηση των ακτίνων φωτός που εισέρχονται στα δύο κανάλια οι ερευνητές άλλαζαν με συνέπεια το μοτίβο ακτινοβολίας του φωτός έξω από την κοιλότητα.


Οι λειτουργίες διάχυσης χωρίς αντανάκλαση (RSM)

Αυτός ο έλεγχος ενεργοποιήθηκε μέσω μιας σπάνιας συμπεριφοράς του φωτός σε κοιλότητες συντονισμού, που ονομάζονται «τρόποι διάχυσης χωρίς αντανάκλαση» (RSMs), η οποία είχε προβλεφθεί θεωρητικά αλλά δεν είχε παρατηρηθεί σε συστήματα οπτικής κοιλότητας.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, η ικανότητα χειρισμού RSM που αποδεικνύεται σε αυτή την εργασία επιτρέπει την αποτελεσματική διέγερση και τον έλεγχο πολύπλοκων οπτικών συστημάτων, κάτι που έχει επιπτώσεις στην αποθήκευση ενέργειας, τον υπολογισμό και την επεξεργασία σήματος.

«Βρήκαμε ότι σε ορισμένες συχνότητες το σύστημά μας μπορεί να υποστηρίξει δύο ανεξάρτητα, επικαλυπτόμενα RSM, τα οποία προκαλούν όλο το φως να εισέρχεται στην κοιλότητα του σταδίου χωρίς αντανακλάσεις πίσω στις θύρες των καναλιών μας, επιτρέποντας έτσι τον έλεγχό του», είπε ο ερευνητής, Shixiong Yin.

Και συνέχισε: «Η παρουσίαση μας ασχολείται με οπτικά σήματα εντός του εύρους ζώνης των οπτικών ινών που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή. Επομένως αυτό το εύρημα ανοίγει έναν νέο δρόμο για καλύτερη αποθήκευση, δρομολόγηση και έλεγχο των φωτεινών σημάτων σε πολύπλοκες οπτικές πλατφόρμες».

enikos.gr