بمساعدة حجر الياقوت وجهازين ليزر، تم إبطاء سرعة الضوء إلى 200 كم/ساعة

إن إبطاء الضوء في الطريقة الجديدة قد يجعل التعامل مع الإشارات القادمة في وقت واحد من ألياف متعددة أسهل.

أوريل بريزون

ألياف ضوئية

تمكن علماء من جامعة روتشستر بالولايات المتحدة الأمريكية من إبطاء تقدم شعاع الضوء إلى سرعة حوالي 200 كم/ساعة بوسائل بسيطة للغاية. ويعد هذا الاختراق طبقة أخرى في قدرة الباحثين على التحكم في حركة الضوء، وقد يمهد الطريق لـ«الضوء البطيء» كما يطلق عليه، من البحث في المختبر إلى التطبيق في مجال الاتصالات عبر الألياف الضوئية.

تتيح التقنية التجريبية، التي تم تطويرها في جامعة روتشستر، إبطاء سرعة شعاع الضوء خمسة ملايين مرة. يعد الإعداد التجريبي الذي استخدمته المجموعة أبسط بكثير من الأجهزة المرهقة التي استخدموها في الماضي لإبطاء حركة الضوء؛ وكان حجم هذه المرافق بحجم الغرفة. قدرات المنشأة الجديدة لا تقل عن تلك التي سبقتها، وقد وصفها مطوروها بأنها "سهلة التنفيذ بشكل يبعث على السخرية".

وتبلغ السرعة التي تنتشر بها أشعة الضوء في الفضاء 300 ألف كيلومتر في الثانية، أو حوالي 1.1 مليار كيلومتر في الساعة، ويمكن لشعاع الضوء أن يدور حول الأرض أكثر من سبع مرات في الثانية الواحدة. سرعة الضوء هي الحد الأعلى لحركة جميع الأجسام في الكون. صرح ألبرت أينشتاين، عند صياغة النظرية النسبية، أنه لا يمكن تسريع أي عامل مادي إلى سرعة الضوء. ولكن كما عرف العلم منذ حوالي 300 عام، فمن الممكن بالتأكيد إبطاء تقدم الضوء نفسه.
تتباطأ سرعة الضوء عندما يمر عبر وسط شفاف مثل الماء أو الزجاج. هذه الحقيقة مألوفة لنا من الحياة اليومية كظاهرة انكسار الضوء: عندما ننظر إلى كوب من الماء وفيه قشة، تبدو لنا القشة مكسورة. والسبب في ذلك هو أن الضوء عندما يمر من الماء الموجود في الزجاج، عبر الزجاج الذي صنع منه، إلى الهواء - تتغير زاوية تقدمه. تغير الزاوية يجعلنا نرى استمرار القشة في مكان مختلف عن موضعها الحقيقي، ونتيجة لذلك تبدو مكسورة. إن تغير زاوية الضوء هو نتيجة لتغير سرعته عند انتقاله من الماء إلى الهواء. سرعة الضوء في الزجاج والماء أبطأ بحوالي مرة ونصف من سرعة حركته في الهواء.

والأسئلة التي يريد العلماء اختبارها هي إلى أي مدى يمكن إبطاء سرعة الضوء، وما يمكن تعلمه من ذلك عن الضوء وسلوكه، وما الاستخدامات الصناعية التي يمكن استخلاصها من "الضوء البطيء" أي الضوء التي لديها سرعة منخفضة للغاية. إن انتقال الضوء في وسط يتكون من مواد مختلفة يسبب بالفعل تباطؤًا، لكنه ليس كبيرًا بشكل خاص، ومن أجل إبطاء الضوء بشكل كبير، هناك حاجة إلى طرق أكثر تقدمًا. اكتشف العلماء أن استخدام تأثيرات ميكانيكا الكم يجعل من الممكن بناء مرافق يمكنها إبطاء الضوء إلى سرعة أقل من سرعة السيارة.

حتى الآن، في محاولات إنشاء ضوء بطيء، تم استخدام تركيبات تعتمد على تأثير يعرف باسم تكثيف بوز-آينشتاين. هذه حالة فريدة من التجمع تحدث عند درجات حرارة منخفضة للغاية، حيث تعمل ذرات الغاز بالتنسيق، كما لو كانت ذرة واحدة كبيرة. تم إبطاء شعاع الليزر الذي تم تمريره عبر غاز تم تبريده إلى حالة التكثيف إلى 60 كم/ساعة فقط، لكن الحاجة إلى إبقاء الغاز عند درجة حرارة منخفضة جدًا (حوالي 270 درجة مئوية تحت الصفر) تعني أن الجهاز كان المطلوب لإجراء التباطؤ هائلاً في الحجم ومرهقًا في التشغيل، وكانت الغرفة المتوسطة قادرة على إنتاج كمية من الغاز المكثف بحجم رأس الدبوس فقط.

وقال البروفيسور روبرت بويد، الذي طورت مجموعته البحثية المنشأة الجديدة: "إذا كانت الطريقة القديمة هي أصعب طريقة لإبطاء شعاع الضوء، فإن الطريقة التي اكتشفناها الآن هي الأبسط". "الآن يمكننا إبطاء الضوء بنفس القدر باستخدام جهاز لا يتجاوز حجمه جهاز الكمبيوتر المنزلي."

واستخدم الباحثون من جامعة روتشستر التأثير الكمي المعروف باسم "التذبذبات السكانية المتماسكة". يوجد في قلب المنشأة التي بناها بلورة ياقوتية. يتم توجيه شعاعي ليزر إلى البلورة التي تختلف تردداتها الضوئية (أي ألوانها) قليلاً عن بعضها البعض. والسبب في اللون الأحمر لأحجار الياقوت هو أنها تمتص معظم الضوء المرئي الذي يمر عبرها، وذلك في نطاقات التردد المقابلة للونين الأزرق والأخضر. ولإنشاء تأثير التباطؤ، يقوم الليزر الأول بإضاءة حجر الياقوت بضوء أخضر قوي، مما يسبب إثارة جزئية لأيونات الكروم الموجودة فيه. ونتيجة لهذا الإثارة القوية، تقل مؤقتًا قدرة أيونات الكروم، التي تعطي الحجر لونه، على امتصاص الضوء.

في الخطوة التالية، يتم تنشيط الليزر الثاني، والذي كما ذكرنا له تردد مختلف قليلاً. ينتج عن الاختلاف البسيط بين ترددات الليزر تأثير نبضي داخل حجر الياقوت - وهذه هي "التقلبات السكانية المنسقة". وهذا يشبه التقاء موجتين على سطح البحيرة - عند نقاط معينة تضخم الموجتان بعضهما البعض ويحدث اضطراب أقوى. تستجيب أيونات الكروم داخل الياقوتة لهذه الاهتزازات المتضخمة وتتأرجح تبعا لذلك، ومن النتائج المثيرة للاهتمام للحالة الناتجة أن ضوء الليزر الثاني يتمكن الآن من المرور عبر الياقوتة على الرغم من لونها الأخضر، لكن سرعتها تتباطأ حركتها بشكل ملحوظ: 5.3 مليون مرة.

ومن الناحية العملية، يشير الباحثون إلى أنه نتيجة للإثارة القوية، تم إنشاء نوع من "الثقب" في طيف الامتصاص لحجر الياقوت. وفقًا لعلماء الفيزياء، يمكن أيضًا فهم التأثير على أنه "حبس" مؤقت للضوء داخل البلورة والحفاظ على طاقته في التقلبات السكانية المنسقة.

ويعتقد البروفيسور بويد أن التأثير الجديد قد يؤدي إلى التقدم في مجال الاتصالات. في الاتصالات الحديثة، يتم استخدام الألياف الضوئية على نطاق واسع. تسمح الألياف بنقل المعلومات عن طريق أشعة الضوء وهي أكثر كفاءة وأسرع بكثير من الكابلات النحاسية الإلكترونية القديمة. إحدى المشاكل في مجال الاتصالات البصرية هي كيفية التعامل مع الإشارات التي تصل في نفس الوقت من عدة ألياف إلى مركز التوجيه. ومن المحتمل أن يمنح جهاز يعتمد على التأثير الجديد أجهزة توجيه الاتصالات هذه القدرة على إبطاء بعض أشعة الضوء لفترة قصيرة، وبالتالي يجعل من الممكن التعامل مع كافة البيانات التي تصل إليها بشكل منظم. للتوضيح، يمكنك التفكير في دمج طريقين في طريق سريع واحد، ولتسهيل اندماج السيارات، يتم تنظيم سرعتها في أحد الممرات.

עם זאת, לשיטה החדשה יש כמה מגבלות. הבולטת בהן היא העובדה שהמתקן מאפשר האטה של אור המופעל בפולסים ארוכים יחסית, בשונה מן השיטות הקודמות שבהן הואט אור בפולסים קצרים, הדומים יותר לאלה המשמשים בטכנולוגיית הסיבים האופטיים. פרופ' בויד הביע תקווה כי שיפורים שיוכנסו במתקן שבנתה קבוצתו יאפשרו להתגבר על מגבלה זו.