Διεθνής επιτυχία Κρητικού φυσικού στη Γερμανία
Ο Ελευθέριος Γουλιελμάκης συνέλαβε την ασύλληπτα γρήγορη κίνηση των εξιτονίων
Χρησιμοποιώντας εξαιρετικά γρήγορες ακτίνες λέιζερ και ακτίνες Χ, οι επιστήμονες στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής του Max Planck με επικεφαλής έναν Έλληνα ερευνητή, έλαβαν στιγμιότυπα της πιο σύντομης κίνησης ηλεκτρονίων μέσα σε ένα στερεό υλικό μέχρι σήμερα. Η κίνηση των ηλεκτρονίων διήρκεσε μόλις 750 δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου προτού εξασθενήσει, θέτοντας ένα νέο ρεκόρ της ανθρώπινης ικανότητας να συλλάβει εξαιρετικά γρήγορες διεργασίες μέσα σε στερεά!
Η ερευνητική ομάδα του Έλληνα φυσικού Ελευθερίου Γουλιελμάκη στη Γερμανία σημείωσε αυτή τη διεθνή επιτυχία, καθώς για πρώτη φορά κατάφερε να «συλλάβει» σε πραγματικό χρόνο μέσα στα στερεά υλικά, με μια δικής του κατασκευής κάμερα, την ασύλληπτα γρήγορη κίνηση των εξιτονίων, που αποτελούν ένα συνδυασμό ηλεκτρονίων και οπών. Χρησιμοποιώντας πολύ γρήγορους παλμούς λέιζερ και ακτίνες-Χ, οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Μαξ Πλανκ στο Γκάρτσινγκ, με επικεφαλής τον Έλληνα ερευνητή, «φωτογράφησαν» κινήσεις εξιτονίων που δεν διήρκεσαν πάνω από 750 αττοδευτερόλεπτα ή δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Αυτό το χρονικό διάστημα αποτελεί νέο ρεκόρ, όσον αφορά την ικανότητα των επιστημόνων να βλέπουν ασύλληπτα μικρές και γρήγορες διαδικασίες που συμβαίνουν μέσα στα στερεά. Η ομάδα του Γουλιελμάκη έκανε τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Science».
«Ήμασταν σε θέση να αποκτήσουμε ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των πυρήνων των εξιτονίων, όπως η μικρογραφία τους, το μέγεθος της οποίας ήταν ελάχιστα μεγαλύτερο από αυτό ενός ατόμου, ή πόσο εύκολα είναι πολωμένοι από το ορατό φως», λέει ο Γουλιελμάκης. “Η τεχνική μας προωθεί τα εξιτώνια, δηλαδή τη μέτρηση, τον έλεγχο και την εφαρμογή τους στο καθεστώς ακτίνων Χ. Αλλά ταυτόχρονα, είναι ένα γενικό εργαλείο για τη μελέτη υπερύθρων διεργασιών που εκκινούν με ακτίνες Χ σε στερεά σε φυσικές κλίμακες χρόνου τους. Μια τέτοια ικανότητα δεν ήταν ποτέ δυνατή πριν από την επιστήμη των ακτίνων Χ. “
Εδώ και δεκαετίες οι επιστήμονες που μελετούν τα μυστικά του μικρόκοσμου, υποψιάζονταν ότι όταν ακτίνες-Χ πέφτουν πάνω στην ύλη, σχηματίζονται νέα σωματίδια που μοιάζουν με άτομα και που ονομάζονται εξιτόνια εσωτερικών φλοιών (core-excitons). Όταν η ακτινοβολία-Χ πέφτει πάνω σε στερεά υλικά ή σε μεγάλα μόρια, ένα ηλεκτρόνιο απωθείται από την αρχική θέση του κοντά στον πυρήνα του ατόμου, αφήνοντας πίσω του μια τρύπα.
Οι φυσικοί πίστευαν ότι αυτός ο συνδυασμός του «απελευθερωμένου» ηλεκτρονίου και της θετικά φορτισμένης οπής σχηματίζει ένα οιονεί σωματίδιο. Όμως, μέχρι τώρα δεν υπήρχε κάποια απτή απόδειξη για την ύπαρξή των εξιτονίων εσωτερικών φλοιών.
Ορισμένοι επιστήμονες αμφισβητούσαν ότι τέτοια σωματίδια υπάρχουν πραγματικά. Έως τώρα το ζήτημα δεν μπορούσε να απαντηθεί, επειδή αυτού του είδους τα εξιτόνια, αν πραγματικά υπήρχαν, θα «ζούσαν» μόνο για περίπου ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Μέχρι σήμερα είχε καταστεί εφικτό να παρατηρηθούν μέσα σε υλικά μόνο τα απλά εξιτόνια, τα οποία δημιουργούνται από το κανονικό φως και τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές όπως η οπτοηλεκτρονική και η μικροηλεκτρονική (ημιαγωγοί). Όμως τα εξιτόνια εσωτερικών φλοιών είναι πολύ πιο βραχύβια και μέχρι σήμερα δεν υπήρχε καμία τεχνική ικανή να καταγράψει την κίνησή τους και να μελετήσει τις ιδιότητές τους.
Η ομάδα του εδώ και περίπου μια δεκαετία εργάζεται για να αναπτύξει τις πιο γρήγορες κάμερες του κόσμου, με στόχο την παρατήρηση των υπερταχέων διαδικασιών στον μικρόκοσμο.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτά τα εργαλεία για πρώτη φορά για να αποδείξουν ότι αυτά τα εξωτικά σωματίδια υπάρχουν και μάλιστα ζουν μόνο 750 αττοδευτερόλεπτα. Ο χρόνος ζωής των εξιτονίων εσωτερικών φλοιών αποτελεί το πλέον βραχύβιο φαινόμενο, που έχει ποτέ παρατηρηθεί σε πραγματικό χρόνο από επιστήμονες.
Χρησιμοποιώντας λάμψεις ακτινοβολίας-Χ με διάρκεια λίγων εκατοντάδων αττοδευτερολέπτων (ένα αττοδευτερόλεπτο είναι 0,000000000000000001 δευτερόλεπτα), που ακολουθήθηκαν από παλμούς λέιζερ παρόμοιας διάρκειας, πέτυχαν να δημιουργήσουν μια κάμερα υπερυψηλής ταχύτητας, η οποία τους επέτρεψε να τραβήξουν για πρώτη φορά εικόνες σε πραγματικό χρόνο της κίνησης των εξιτονίων μέσα σε διοξείδιο του πυριτίου.
Εκτός από τη «σύλληψη» των εξιτονίων επί το έργον, οι ερευνητές μπόρεσαν να αποκτήσουν περισσότερες πληροφορίες για τις ιδιότητες αυτών των οιονεί σωματιδίων, σχετικά με τις διαστάσεις τους και το πόσο εύκολα πολώνονται από το ορατό φως.
Ποιος είναι
Γεννηθείς στο Ηράκλειο της Κρήτης, ο Δρ Ελευθέριος Γουλιελμάκης πήρε το πτυχίο του και το μεταπτυχιακό του τίτλο σπουδών από το τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης. Συνέχισε τις μεταπτυχιακές του σπουδές σε Αυστρία και Γερμανία και το 2005 απέκτησε το διδακτορικό του δίπλωμα από το Πανεπιστήμιο του Μονάχου.
Στη συνέχεια εργάστηκε ως ερευνητής στο τομέα αττοφυσικής του Ινστιτούτου κβαντικής οπτικής του Μαξ Πλανκ ενώ αργότερα, στο ίδιο ινστιτούτο, ίδρυσε την ερευνητική ομάδα «Αττοηλεκτρονική».
Ενα από τα σημαντικότερα επιστημονικά επιτεύγματά του είναι η δημιουργία το 2008 των πιο βραχέων εκλάμψεων ακτίνων Χ (φλας) που διαρκούν λιγότερο από 100 αττοδευτερόλεπτα, καθώς και την χρήση τους στην παρατήρηση της κίνησης των ηλεκτρονίων μέσα σε άτομα το 2010.
Τα τελευταία χρόνια, ο Δρ. Γουλιελμάκης και η ομάδα του εστιάζουν τις προσπάθειες τους στην ανάπτυξη του πρώτου συνθεσάιζερ φωτεινών κυμάτων, μια πειραματική συσκευή που θα συνθέτει τα κύματα του φωτός, όπως το γνωστό μουσικό όργανο συνθέτει μουσική.
Το 2016 η ομάδα του με επιστήμονες από το Ινστιτούτο Max Planck (MPI) της Κβαντικής Οπτικής στο Garching της Γερμανίας, από το Πανεπιστήμιο Texas A & M στο Τέξας, και από το Κρατικό Πανεπιστήμιο Λομονόσοφ της Μόσχας, ανακάλυψαν ότι τα ηλεκτρόνια σε κρυπτό-άτομα χρειάζονται λίγο περισσότερο από 100 attoseconds (αττοδευτερόλεπτα) για να ανταποκριθούν στους εξαιρετικά σύντομους παλμούς φωτός. Είναι η πρώτη άμεση μέτρηση της έμφυτης νωθρότητας του ηλεκτρονίου. Η σχετική δημοσίευση έγινε στο περιοδικό «Nature».
