Καμπυλωμένες ακτίνες λέιζερ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να κατευθύνουν τους κεραυνούς

Μια ειδική δέσμη λέιζερ που μπορεί να καμπυλώνεται και να περνάει τα εμπόδια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κατευθύνει τους κεραυνούς, μακριά από σπίτια ή εγκαταστάσεις, να κάνει τους μελλοντικούς επιταχυντές σωματιδίων μικρότερους ή και να χρησιμοποιηθεί σε οπτικούς υπολογιστές.

plasma-ball

Μια ομάδα φυσικών στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα με επικεφαλής τον καθηγητή Pavel Polynkin συνδύασε παλμούς ακτίνων λέιζερ υψηλής ενέργειας, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ιονίσουν τα αέρια στην ατμόσφαιρα με σκοπό να δημιουργήσουν ένα κανάλι πλάσματος, με μια ειδική τεχνική. Η τεχνική που ονομάζεται ακτίνα Airy – από το όνομα του αστρονόμου George Biddell Airy που τον 19ο αιώνα ανακάλυψε τα μαθηματικά πίσω από το φαινόμενο του ουράνιου τόξου – επιτρέπει την κάμψη των ακτίνων λέιζερ, αναφέρει το περιοδικό Nature.

Τα λέιζερ σήμερα έχουν χιλιάδες εφαρμογές σε κάθε τμήμα της σύγχρονης κοινωνίας, αλλά οι ακτίνες λέιζερ είναι ουσιαστικά παρόμοιες – έχουν ενιαίο χρώμα και κινούνται ευθύγραμμα.

Όμως τώρα αμερικανοί φυσικοί άλλαξαν το τελευταίο χαρακτηριστικό και δημιούργησαν τις πρώτες κυρτές ακτίνες λέιζερ. Το κατόρθωμα αυτό μία ημέρα μπορεί να βοηθήσει ώστε να οδηγήσουμε τους κεραυνούς στο έδαφος.

Ερευνητές με επικεφαλής τον Pavel Polynkin στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στο Τάκσον δημιούργησαν παλμούς λέιζερ διάρκειας 35 femtosecond από ένα στάνταρτ σύστημα τιτανίου-σάπφειρου.

Οι νέοι παλμοί λέιζερ διαφέρουν από τους κανονικούς στο ότι καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (χρωμάτων) αντί να έχουν ένα ενιαίο χρώμα. Κάθε παλμός στη συνέχεια διέρχεται από μια διαφανή μάσκα που αλλάζει τις φάσεις καθώς και από φακούς, που από κοινού διαιρούν τον παλμό του λέιζερ στα συστατικά του μέρη, σαν να σπάει σε κομμάτια.

Η δημιουργία των κυρτών δεσμών έγινε συνδυάζοντας δυο λέιζερ με διαφορετικές ιδιότητες. Η πρώτη ακτίνα αποτελείται από σύντομους παλμούς φωτός λέιζερ 35 femtosecond σχεδιασμένους να ιονίζουν τα άτομα του αζώτου και του οξυγόνου στον αέρα, ώστε να δημιουργούν κανάλια πλάσματος. Τα κανάλια αυτά επιτρέπουν στη δέσμη να παραμένει εστιασμένη.

Η δεύτερη ακτίνα είναι η δέσμη Airy και δημιουργήθηκε με ένα άλλο είδος λέιζερ. Οι ακτίνες αυτές αποτελούνται από παλμούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπονται με διαφορά φάσης. Οι παλμοί αυτοί συμβάλουν ώστε να εκτρέψουν την ακτίνα από την ευθεία πορεία της και να την καμπυλώσουν.

Ο συνδυασμός των δύο λέιζερ επέτρεψε στους ερευνητές αφενός να δημιουργήσουν κανάλια πλάσματος και αφετέρου με ρυθμιζόμενη καμπυλότητα που να ελέγχεται με ένα φακό.

Στις κανονικές ακτίνες λέιζερ η ένταση είναι συμμετρική γύρω από μια κεντρική περιοχή, αλλά μια διαφανής μάσκα και ένας φακός είναι ειδικά σχεδιασμένα για να επιβάλουν ένα μοτίβο ασυνήθιστης ασύμμετρης έντασης, δημιουργώντας έτσι τη λεγόμενη δέσμη Airy (ή σχήμα πιο σωστά). Στη δεξιά πλευρά της ακτίνας Airy υπάρχει μια έντονα λαμπρή περιοχή, και υπάρχει μια σειρά από μικρότερες, λιγότερο έντονες περιοχές προς τα αριστερά, σαν φωτεινές σφαίρες. Στην πραγματικότητα η ακτίνα Airy δημιουργείται από πολύπλοκη συμβολή ενός τύπου φωτός, που δημιουργήθηκε από ένα λέιζερ που διέρχεται μέσα από μια ψηφιακή οθόνη, με προσεκτική διαφορά φάσης των κυμάτων του φωτός.

Καθώς ο παλμός απομακρύνεται από τους φακούς, η ενέργεια ρέει μεταξύ των διαφορετικών περιοχών της έντασης. Λόγω της υποκείμενης ασυμμετρίας, η δέσμη λυγίζει περίπου 5 χιλιοστά προς τα δεξιά σε ένα μήκος 60 εκατοστών. Αυτό βέβαια δεν είναι αρκετό για να κάνει η ακτίνα απότομες στροφές, αλλά θα μπορούσε να στρέφεται γύρω από μικροσκοπικά αντικείμενα, όπως είναι τα κύτταρα, σε μικροσκοπική εφαρμογές.
Υπάρχει τόσο έντονη συγκέντρωση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας στην κορυφή του παλμού, που ιονίζει τον αέρα καθώς ταξιδεύει, αφήνοντας πίσω της ένα τόξο πλάσματος. Ο Δημήτρης Χριστοδουλίδης μέλος της ομάδας του Πανεπιστημίου της Κεντρικής Φλόριντα στο Ορλάντο (μαζί με τον Γιώργο Σιβιλόγλου) λέει ότι αυτά τα τόξα πλάσματος μπορεί να βοηθήσουν σε κάποιες διαδικασίες ανάλυσης του αερίου.
«Οι εκπομπές που παράγονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας είναι ενδεικτικές της σύνθεσης του αερίου, από το οποίο διέρχεται το πλάσμα», λέει ο Χριστοδουλίδης.

Θαυμαστές εφαρμογές

Προηγουμένως, τέτοια κανάλια πλάσματος είχαν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τέτοιων εκπομπών, όμως όλες οι εκπομπές εκτοξεύτηκαν εμπρός προς το ίδιο σημείο. Επειδή η μπροστινή κατεύθυνση συνεχώς αλλάζει για το τόξο, γι αυτό και οι εκπομπές κατέληγαν σε διαφορετικά σημεία σε έναν ανιχνευτή. «Επειδή οι εκπομπές προέρχονται από πλάσμα που κυρτώνει, μπορείτε να εντοπίσετε ακριβώς από όπου προήλθε στο αέριο,» λέει ο Χριστοδουλίδης.

Όμως ο Jérôme Kasparian στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης στην Ελβετία, που δεν συμμετείχε στη μελέτη, πιστεύει ότι τα κανάλια του πλάσματος που παράγονται από τους παλμούς λέιζερ θα μπορούσαν να έχουν μια πιο θεαματική λειτουργία σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Ο Kasparian μαζί με τον Jean-Pierre Wolf, επίσης, στη Γενεύη, προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν κανάλια πλάσματος για τον έλεγχο των κεραυνών πυροδοτώντας παλμούς λέιζερ στα καταιγιδοφόρα νέφη.

Το 2004, οι Wolf και Kasparian έστειλαν την συσκευή λέιζερ που δημιουργεί κανάλι πλάσματος σε καταιγίδες στο Νέο Μεξικό. Πυροδότησαν κατευθείαν παλμούς λέιζερ στα καταιγιδοφόρα νέφη 10 φορές κάθε δευτερόλεπτο, ελπίζοντας ότι το υψηλής ενέργειας πλάσμα που σχηματίζεται από τον παλμό του λέιζερ θα προκαλούσε κεραυνούς, οι οποίοι θα ταξιδεύσουν κατά μήκος των καναλιών του πλάσματος κάτω προς στο έδαφος.

«Εμείς δεν ανιχνεύσαμε καμιά πρόκληση κεραυνών αλλά ανιχνεύσαμε ηλεκτρικές δραστηριότητες σε συγχρονισμό  με τους παλμούς του λέιζερ», λέει ο Kasparian. Ο ίδιος νομίζει πως το πλάσμα είχε χαμηλή ενέργεια για να ενεργοποιήσει πλήρως τους κεραυνούς, αλλά οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα με τροποποιήσεις στο σύστημα.

Ο Kasparian λέει ότι, στο μέλλον, η εργασία της ομάδας του Χριστοδουλίδη θα μπορούσε να συνδυαστεί με την δική του ώστε οι παλμοί του λέιζερ και τα κανάλια του πλάσματος να έχουν συγκεκριμένους στόχους, όπως τα σύννεφα, αν και επισημαίνει ότι οι παλμοί του λέιζερ μπορεί επίσης να οδηγηθούν χρησιμοποιώντας κάτοπτρα.

«Βέβαια θα ήταν διασκεδαστικό να δούμε αποφορτίσεις κεραυνών που να καμπυλώνουν», συμπληρώνει.

Εκτός από την ανάπτυξη αλεξικέραυνων για ευαίσθητα κτίρια και ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να έχει και εφαρμογές στα οπτικά κυκλώματα του μέλλοντος ή σε επιταχυντές για επιστημονική έρευνα.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα των κυρτών λέιζερ είναι ότι θα μπορούν να ξεπερνούν μικρά εμπόδια, όπως οι σταγόνες της βροχής, χωρίς να χάνουν την ένταση ή να βγαίνουν από την πορεία τους.

Ο Kasparian διευκρίνισε πάντως ότι είναι απίθανο να δούμε σύντομα στρατιωτικά λέιζερ που να παρακάμπτουν τοίχους και άλλα εμπόδια για να βρουν το στόχο τους, η δέσμη θα πρέπει αναγκαστικά να έχει μικρή διατομή, οπότε δεν μπορεί να μεταφέρει μεγάλα ποσά ενέργειας.

New Scientist