Δημιουργία κβαντικού φωτός ανοίγει νέους δρόμους στις κβαντικές τεχνολογίες και τη φυσική με ισχυρά λέιζερ

Διεθνής συνεργασία Ερευνητών του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) κατάφερε να δημιουργήσει κβαντικό φως με μοναδικές ιδιότητες και, ταυτόχρονα, να απαντήσει σε καίρια ερωτήματα στην περιοχή της αλληλεπίδρασης της ύλης με ισχυρά πεδία λέιζερ, λαμβάνοντας υπ’ όψιν τόσο την κβαντική συμπεριφορά της ύλης όσο και αυτή του φωτός.

Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα και περιγράφεται κβαντομηχανικά με την έννοια του πακέτου ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, το λεγόμενο φωτόνιο. Μετά την ανακάλυψη του λέιζερ (T. Maiman 1960) και την κβαντική του περιγραφή (R. J. Glauber 1963), μεγάλο μέρος της επιστημονικής κοινότητας ακολούθησε δύο διαφορετικούς δρόμους: τον τομέα της κβαντικής οπτικής, που μελετά την κβαντομηχανική συμπεριφορά του φωτός και αναπτύχθηκε κυρίως με τη χρήση λέιζερ χαμηλής ισχύος, και αυτόν της φυσικής της αλληλεπίδρασης της ύλης με ισχυρά πεδία λέιζερ.

Ο τομέας της κβαντικής οπτικής οδήγησε στην ραγδαία ανάπτυξη των κβαντικών τεχνολογιών με εντυπωσιακά αποτελέσματα σε ένα ευρύ φάσμα κατευθύνσεων που κυμαίνονται από τους κβαντικούς υπολογιστές μέχρι τις υπερευαίσθητες μετρήσεις των βαρυτικών κυμάτων. Αντίστοιχα, ο τομέας της φυσικής της αλληλεπίδρασης της ύλης με ισχυρά πεδία λέιζερ οδήγησε στη ανάπτυξη δευτερογενών πηγών φωτός-ηλεκτρονίων-πρωτονίων με μοναδικές ιδιότητες, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε πρωτοποριακές μελέτες κατανόησης της υπερταχείας ηλεκτρονιακής δυναμικής της ύλης και εφαρμόζονται σε πληθώρα κατευθύνσεων στη βιολογία και ιατρική.

Παρά όμως τη ραγδαία τους ανάπτυξη, αυτοί οι δύο τομείς παρέμεναν ασύνδετοι. Ο κύριος λόγος είναι ότι η αλληλεπίδραση της ύλης με ισχυρά πεδία λέιζερ λαμβάνει υπόψη την κβαντική συμπεριφορά της ύλης αλλά όχι του φωτός. Όμως η κβαντική φύση του φωτός είναι πάντοτε παρούσα ανεξάρτητα από την ισχύ του λέιζερ που χρησιμοποιείται. Συνεπώς τα βασικά ερωτήματα που έπρεπε να απαντηθούν για την κβαντική περιγραφή των ισχυρών αλληλεπιδράσεων και την σύνδεση των δύο τομέων είναι:

Πώς η κβαντική φύση του φωτός συμμετέχει στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις με την ύλη, πώς μπορούμε να την παρατηρήσουμε και να τη χρησιμοποιήσουμε;

Τα ερωτήματα αυτά απαντά πρόσφατη θεωρητική και πειραματική μελέτη που δημοσιεύτηκε στο διεθνές περιοδικό υψηλής απήχησης Nature Physics με επιστημονικούς υπεύθυνους τον Δρ. Παρασκευά Τζάλλα (Διευθυντής Ερευνών στο ΙΤΕ) και Καθ. Maciej Lewenstein (ICFO-Ισπανία) σε συνεργασία με ερευνητές και από Technion-Κίνα, MBI-Γερμανία, ELI-ALPS-Ουγγαρία και Παν. Κρήτης.

Τα αποτελέσματα της μελέτης συνδέουν τους δύο από τους μεγαλύτερους τομείς των σύγχρονων φυσικών επιστήμων, και ανοίγουν νέους δρόμους στην εξερεύνηση των ισχυρών αλληλεπιδράσεων του φωτός με την ύλη, και στην ανάπτυξη νέων μεθόδων δημιουργίας κβαντικού φωτός, το οποίο είναι στον πυρήνα της ανάπτυξης των κβαντικών τεχνολογιών.   

Το άρθρο:

M. Lewenstein, et al., “Generation of optical Schrödinger cat states in intense laser–matter interactions”, Nature Physics 17 (10), 1104-1108 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01317-w