Σπουδαία ανακάλυψη με ελληνική υπογραφή: Πώς οι επιστήμονες «είδαν» για πρώτη φορά τα φωτόνια

Η επιστήμη έκανε ένα ακόμα άλμα προς τη διαλεύκανση των μυστηρίων του κόσμου μας! Αυτή τη φορά, κατάφερε να διαπιστώσει το πως... μοιάζουν τα μικροσωματίδια αυτά, που επιτρέπουν στον εγκέφαλό μας να οπτικοποιήσει τον κόσμο γύρω μας...

Χάρη στα φωτόνια λοιπόν βλέπουμε, καθώς είναι τα σωματίδια που «σχηματίζουν» τις εικόνες στον αμφισβληστροειδή μας (ή τους αισθητήρες της κάμεράς μας) μεταφέροντας τις πληροφορίες σχετικά με την πηγή που τα εξέπεμψε ή αντικείμενα που έχουν «μεσολαβήσει» στην εικόνα, επιτρέποντας στον εγκέφαλο ή τις κάμερές μας να κατασκευάσουν μια εικόνα.

Ωστόσο τα ίδια, είναι αδύνατο να τα δούμε ή να τα φωτογραφίσουμε, καθώς τα φωτόνια δεν μπορούν να μεταφέρουν την πληροφορία στον εγκέφαλό μας από άλλα φωτόνια. Οι επιστήμονες ωστόσο χρησιμοποιώντας πρωτότυπες τεχνικές, κατάφεραν να τα απεικονίσουν και όπως θα δείτε αυτά μοιάζουν… μάτι!

Η οπτικοποίηση που επετεύχθη είναι μια ακριβής προσομοίωση ενός φωτονίου αφού υπολογίστηκε η κατανομή της έντασης, δηλαδή ένας χάρτης όπου υπολογίζεται που θα εντοπιστεί ένα φωτόνιο σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή.

Η Δρ. Άντζελα Δημητριάδου, από την Πάφο της Κύπρου, μοιράστηκε με το Newsbomb.gr τον ενθουσιασμό της για αυτή την ανακάλυψη, ενώ μας εξηγεί τις σπουδαίες προοπτικές που διανοίγονται για νέες, ακόμα πιο σημαντικές, επιστημονικές ανακαλύψεις στο πεδίο του φωτός και της ύλης.

Newsbomb.gr: Πετύχατε την αναπαράσταση του φωτονίου, αν και μέχρι τώρα ήταν αδύνατον να απεικονιστεί. Όπως εξηγείτε, «ένα κβαντικό σωματίδιο δεν μπορείτε να το μετρήσετε με μία κίνηση καθώς η μέτρηση το καταστρέφει. Ωστόσο, με την επανάληψη της μέτρησης του σημείου που ανιχνεύτηκε ένα φωτόνιο πολλές φορές, θα βλέπαμε ακριβώς αυτή την κατανομή». Οι τεχνικές που ακολουθήσατε και η επιτυχία του εγχειρήματος, μήπως μπορούν να προσαρμοστούν και σε άλλες έρευνες που μπορούν να βοηθήσουν στη διαλεύκανση των μυστηρίων της κβαντικής φυσικής;

Άντζελα Δημητριάδου: Ναι, τα ευρήματά μας, οι θεωρητικές προβλέψεις και η μέθοδος που χρησιμοποιήσαμε για την επίλυση αυτού του προβλήματος, μπορούν να προσαρμοστούν και σε άλλες έρευνες, ιδίως για συστήματα της κβαντικής φυσικής όπου η ενέργεια μπορεί να μεταδοθεί και να μετρηθεί μακριά από το σημείο όπου συμβαίνουν οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις. Ορισμένα παραδείγματα για την εφαρμογή της θεωρίας μας σε άλλες έρευνες είναι η περαιτέρω ανάπτυξη των κβαντικών τεχνολογιών, η κατανόηση και η πρόβλεψη φωτοχημικών αντιδράσεων, ακόμη και η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο γίνεται η φωτοσύνθεση σε κβαντικό επίπεδο.

Ποια είναι η σημασία αυτής της ανακάλυψης; Ποιο νέο στοιχείο προσδίδει στην επιστήμη η απεικόνιση του φωτονίου και ποιες πιθανές εφαρμογές θα μπορούσαμε να φανταστούμε για το μέλλον;

Η εργασία μας παρουσιάζει μια νέα θεωρητική μέθοδο για την κβάντιση ανοικτών νανοφωτονικών συστημάτων και την επίλυση της κβαντικής δυναμικής τους. Ενώ η κβάντιση των κλειστών κοιλοτήτων και του ελεύθερου χώρου είναι καλά κατανοητή, η πρόκληση ήταν πώς να προσεγγίσουμε τα ανοικτά συστήματα που μπορούν να στείλουν ενέργεια μακριά. Ένα παράδειγμα τέτοιων συστημάτων είναι ένα σφαιρικό σωματίδιο στον αέρα συνδεδεμένο με έναν ή περισσότερους κβαντικούς πομπούς, όπως φθορίζοντα μόρια, κβαντικές τελείες κ.λπ. Η λύση μας είναι ιδιαίτερα επίκαιρη δεδομένης της πρόσφατης πειραματικής εργασίας με τέτοια ανοικτά νανοφωτονικά συστήματα και των δυνατοτήτων που έχουν επιδείξει.

Θα πρέπει ίσως επίσης να διευκρινίσω ότι δεν «απεικονίσαμε» ένα φωτόνιο, αν και αυτό αναφέρουν ορισμένα μέσα ενημέρωσης. Δεν μπορεί κανείς να «απεικονίσει» ένα μεμονωμένο φωτόνιο. Αυτό που καταφέραμε ήταν να εξάγουμε μια γενική εξίσωση για την κυματοσυνάρτηση του φωτονίου με ακριβή και αυστηρό τρόπο, και στη συνέχεια την αναμενόμενη τιμή για την ένταση του πεδίου. Αυτή η αναμενόμενη ένταση που εμφανίζεται στην εικόνα αντικατοπτρίζει την πιθανότητα να βρεθεί ένα φωτόνιο σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου, ή με απλούστερους όρους το σχήμα του φωτονίου.

Η κυματοσυνάρτηση του φωτονίου εξαρτάται από το σχήμα και το υλικό του νανοφωτονικού περιβάλλοντος, καθώς και από τη συχνότητα του φωτονίου που εκπέμπεται από τον κβαντικό πομπό. Η παραγώγησή μας λαμβάνει υπόψη όλους αυτούς τους παράγοντες, πράγμα που σημαίνει ότι οι παραγόμενοι τύποι παραμένουν της ίδιας μορφής για διαφορετικά νανοφωτονικά περιβάλλοντα. Έτσι, η θεωρία μας αποκαλύπτει το «σχήμα» ενός φωτονίου για κάθε τέτοιο νανοφωτονικό περιβάλλον.

Η συγκεκριμένη εικόνα που κυκλοφόρησε στα μέσα ενημέρωσης δείχνει το «σχήμα» του φωτονίου (ή την αναμενόμενη τιμή της έντασής του) για ένα σφαιρικό νανοσωματίδιο πυριτίου με κβαντικούς εκπομπούς στην επιφάνειά του, με αποτέλεσμα το φωτόνιο να έχει περίπου σφαιρικό σχήμα. Η εικόνα είναι ένας πραγματικός υπολογισμός από τους τύπους που προκύπτουν στο άρθρο.

Τα νέα στοιχεία και η σημασία της εργασίας προέρχονται κυρίως από την ανάπτυξη της θεωρίας και το γεγονός ότι πρόκειται για ακριβή, αυστηρή και γενική θεωρία. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε άλλο νανοφωτονικό σύστημα και να ληφθούν πληροφορίες που δεν ήταν δυνατές μέχρι σήμερα.

Στο μέλλον, θα περίμενα εφαρμογή για την περαιτέρω ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών με τη χρήση ανοικτών νανοφωτονικών συστημάτων. Αυτό είναι κάτι που έχει αρχίσει να αναδύεται λίγο, και πιστεύω ότι αυτή η θεωρία μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πολύ περισσότερα για αυτά τα πολύπλοκα συστήματα, ώστε να μπορέσουμε να παράγουμε καλύτερα και πιο αποδοτικά σχέδια. Άλλες εφαρμογές είναι οτιδήποτε άλλο περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση ενός φωτονίου με ένα ανοικτό νανοφωτονικό περιβάλλον, από φωτοχημικές αντιδράσεις που οδηγούνται και ελέγχονται από το φως, μέχρι τη χαρτογράφηση του χαρακτηρισμού Raman των μορίων, μέχρι ακόμη και την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο γίνεται η φωτοσύνθεση σε κβαντικό επίπεδο και κατά πόσον μπορούμε να σχεδιάσουμε συστήματα που αναπαράγουν αυτή τη λειτουργία.

Λέτε επίσης ότι η έρευνά ξεκίνησε ώστε να απαντήσετε σε κάτι πολύ θεμελιώδες: Πώς εκπέμπονται πραγματικά τα φωτόνια από τα άτομα και τα μόρια και τι επίδραση έχει το περιβάλλον τους σε αυτό. Την έχετε την απάντηση; Ποιες άλλες έρευνες πρέπει να γίνουν προς αυτή την κατεύθυνση;

Ναι, έχουμε την απάντηση σε αυτό. Ήταν η πρώτη απάντηση που λάβαμε από τη νέα θεωρία. Στη συνέχεια επιστρέψαμε και αρχίσαμε να σκεφτόμαστε αν μπορούμε να γενικεύσουμε τη μέθοδο και τι άλλο μπορούμε να πάρουμε από αυτήν. Σε εκείνο το σημείο συνειδητοποιήσαμε πόσο ισχυρή, περιεκτική και κατατοπιστική μπορεί να είναι η μέθοδος και επιστρέψαμε και την γράψαμε με πιο γενικό τρόπο.

Ήταν εκπληκτικό να βλέπουμε πόσες πληροφορίες συνέχιζαν να προκύπτουν σε κάθε βήμα. Θα πρέπει ίσως να τονίσω ότι το μεγαλύτερο μέρος των προσπαθειών για την ανάπτυξη και τη γενίκευση της θεωρίας, συμπεριλαμβανομένης της κατανόησης που προέκυψε από αυτήν, οφείλεται στον Ben Yuen και χρειάστηκαν 4-5 χρόνια εργασίας για να φτάσουμε σε αυτό το σημείο.

Υπάρχει πολλή έρευνα που πρέπει να γίνει προς αυτή την κατεύθυνση. Ορισμένες έρευνες θα επικεντρωθούν στην περαιτέρω ανάπτυξη της θεωρίας και στο να γίνει πιο εύκολα προσβάσιμη στη γενική επιστημονική κοινότητα. Ενώ άλλη έρευνα αφορά στην εφαρμογή της νέας θεωρίας σε συγκεκριμένα νανοφωτονικά συστήματα με στόχο την κατασκευή νέων κβαντικών συσκευών που ξεπερνούν τις τρέχουσες και επίσης την καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης.

Πόσα μένουν ακόμα να μάθουμε ή να ανακαλύψουμε για το φως, τη λειτουργία του, την αλληλεπίδρασή του με την ύλη και τις ανθρώπινες δυνατότητες γύρω από αυτό;

Για την ακρίβεια, πολλά. Το φως που ταξιδεύει στον ελεύθερο χώρο ή που συλλαμβάνεται σε κλειστές κοιλότητες είναι πολύ καλά κατανοητό. Αλλά το φως που αλληλεπιδρά με την ύλη, όπως τα μόρια, οι κβαντικές τελείες και ακόμη και τα άτομα, δεν έχει κατανοηθεί πλήρως ακόμη. Μέχρι τώρα, είχαμε φαινομενολογικές περιγραφές για τις αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης που προέρχονταν από πειραματικές παρατηρήσεις. Με τον όρο «φαινομενολογικές», εννοώ ότι θα φτιάξουμε θεωρία με βάση το πώς πιστεύουμε ότι συμβαίνει η αλληλεπίδραση, και παρόλο που αυτό ισχύει για ορισμένα καθεστώτα και βοηθά στην εξήγηση των περισσότερων πειραματικών αποτελεσμάτων, δεν μπορούν ποτέ να παρέχουν μια πλήρη εικόνα των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης.

Η θεωρία μας είναι μια ακριβής και αυστηρή λύση του προβλήματος, οπότε παρέχει μια πλήρη εικόνα των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης. Και στην πραγματικότητα αποκάλυψε ότι σε ορισμένα καθεστώτα που συνήθως πίστευαν ότι ορισμένες παρατηρήσεις οφείλονταν σε θόρυβο, ότι αυτό δεν ισχύει. Λεπτομερή πειράματα σε τέτοια καθεστώτα είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν, κυρίως λόγω περιορισμών στον εξοπλισμό, αλλά η θεωρία μας μπορεί να είναι πολύ κατατοπιστική και να βοηθήσει στο σχεδιασμό πειραμάτων για τη μέτρηση τέτοιων αλληλεπιδράσεων.

Τέλος, θα ήθελα να σας ρωτήσω αν σας εξέπληξε το αποτέλεσμα της μελέτης σας και πού θα στρέψετε την έρευνά σας για το επόμενο διάστημα.

Αυτό που με εξέπληξε περισσότερο σε αυτή τη μελέτη ήταν το πόσο όμορφη και ολοκληρωμένη είναι η θεωρία. Με τον όρο «πλήρης», εννοώ ότι δεν χρειάστηκε να κάνουμε καμία από τις συνήθεις σημαντικές προσεγγίσεις, γεγονός που μας επέτρεψε να λάβουμε πολύ περισσότερες πληροφορίες. Θα πρέπει να πω ότι το μεγαλύτερο μέρος των ευθυνών για την επίτευξη αυτού του επιπέδου πρέπει να αποδοθεί στον Ben Yuen που είχε την αποφασιστικότητα, την ανθεκτικότητα και τις ικανότητες να το φέρει εις πέρας.

Η έρευνά μου την επόμενη περίοδο θα επικεντρωθεί στις αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης με νανομεταλλικά (ή νανοπλασμονικά) σωματίδια και περιβάλλοντα. Τέτοια συστήματα είναι ακόμη πιο πολύπλοκα, δεδομένου ότι το μέταλλο είναι πιο δύσκολο να περιγραφεί μαθηματικά. Αλλά τα νανο-μεταλλικά περιβάλλοντα έχουν πολύ πιο ενισχυμένες αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης, και επομένως περισσότερες δυνατότητες για σημαντικές μελλοντικές εφαρμογές.

Όσον αφορά εσάς προσωπικά. Πού μεγαλώσατε και σπουδάσατε, ώστε να καταλήξετε σε κορυφαία ερευνητικά εργαστήρια στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ; Ποιο θα ήταν το μήνυμά σας για τους υπόλοιπους Έλληνες επιστήμονες και θα επιστρέφατε ποτέ στη χώρα σας για να συνεχίσετε το έργο σας;

Μεγάλωσα στην Πάφο της Κύπρου, η οποία είναι η μικρότερη πόλη της Κύπρου. Ποτέ δεν υπήρξε σαφές σχέδιο από νωρίς ότι θα κάνω έρευνα ή ακόμη και διδακτορικό. Ήμουν όμως καλή μαθήτρια στο σχολείο και ήθελα να πάω στο Πανεπιστήμιο. Η οικογένειά μου με υποστήριζε σε αυτό και ήταν δική μου απόφαση να σπουδάσω Φυσική.

Αρκετά νωρίς επέλεξα να κάνω προπτυχιακό στο Ηνωμένο Βασίλειο και προετοιμάστηκα γι' αυτό δίνοντας εξετάσεις GCSE ταυτόχρονα με τη φοίτησή μου στο δημόσιο σχολείο στην Κύπρο. Η απόφαση να μετακομίσω στο Ηνωμένο Βασίλειο για τις σπουδές μου οφειλόταν κυρίως στις διαφορετικές ευκαιρίες που υπάρχουν στα πανεπιστήμια του εξωτερικού και ειδικότερα στο Ηνωμένο Βασίλειο. Προς το τέλος των προπτυχιακών μου σπουδών, επέλεξα ένα μεταπτυχιακό και στη συνέχεια αποφάσισα σταδιακά να κάνω διδακτορικό. Εκείνη την εποχή δεν ήμουν πολύ σίγουρη για το θέμα στο οποίο ήθελα να κάνω το διδακτορικό, οπότε άρχισα να μιλάω με διάφορους ακαδημαϊκούς για την έρευνά τους, έκανα αίτηση σε διάφορα προγράμματα και στο τέλος αποφάσισα να ενταχθώ στην ομάδα του καθηγητή Sir John Pendry στο Imperial College του Λονδίνου.

Αφού ολοκλήρωσα το διδακτορικό μου, πέρασα πολλά χρόνια στο Imperial College ως μεταδιδάκτορας και πρέπει να παραδεχτώ ότι έμαθα πολλά από το εντατικό ερευνητικό και ανταγωνιστικό περιβάλλον εκεί. Το 2017, εντάχθηκα στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ για να ξεκινήσω τη δική μου ερευνητική ομάδα. Με το πολύ υποστηρικτικό περιβάλλον εδώ, κατάφερα αρκετά γρήγορα να δημιουργήσω μια ομάδα 10 ερευνητών και να εξασφαλίσω σημαντική χρηματοδότηση για την έρευνά μου, της οποίας τα αποτελέσματα μόλις τώρα αναδύονται, συμπεριλαμβανομένης της παρούσας εργασίας.

Γνωρίζω ότι η έρευνα στα ελληνικά πανεπιστήμια είναι σημαντικά υποχρηματοδοτούμενη και ότι οι Έλληνες επιστήμονες αντιμετωπίζουν πολλές άλλες δυσκολίες. Το μήνυμά μου θα ήταν να προσεγγίσετε συναδέλφους στο εξωτερικό και να δημιουργήσετε συνεργασίες. Υπάρχουν πολλά να κερδίσετε συνεργαζόμενοι και να συνεργαστείτε με ανθρώπους από διαφορετικά περιβάλλοντα.

Προς τους νέους και τους επιστήμονες που μόλις ξεκινούν τώρα θα ήταν να κάνουν την καλύτερη κατάλληλη γι' αυτούς επιλογή σε κάθε σταυροδρόμι και να μην κολλάνε σε ένα συγκεκριμένο σχέδιο για το μέλλον τους. Η ζωή είναι γεμάτη εκπλήξεις και ευκαιρίες, και θα πρέπει να αξιοποιούμε στο έπακρο κάθε μία. Διαπιστώνω πολύ συχνά ότι οι νέοι άνθρωποι κάνουν επιλογές ανάλογα με το τι περιμένει το περιβάλλον τους (οικογένεια, σχολείο κ.λπ.) και όχι με το τι θέλουν να κάνουν. Το μήνυμά μου θα ήταν να προσπαθήσετε να κάνετε ό,τι είναι αυτό που θέλετε, και ακόμη και αν αποτύχετε θα μάθετε πολλά από την εμπειρία.

Θα ήταν πολύ δύσκολο για μένα σε αυτή τη φάση να επιστρέψω στην πατρίδα μου και να συνεχίσω την έρευνά μου, αν και δεν το αποκλείω.