إن استكشاف التفاعل بين الضوء والمادة يتجاوز مجرد كونه سعيًا أكاديميًا، فهو تفاعل رئيسي عزز التقدم التكنولوجي في العديد من المجالات.
ومع ذلك، فإن دراسة كيفية تفاعل الضوء والمادة دون فقدان أي تفاصيل مهمة يمثل تحديًا، حيث تحدث هذه التفاعلات على نطاقات زمنية أتوثانية – جزء من المليار من المليار من الثانية.
وأوضح ينس بيجرت، الفيزيائي وأستاذ فيزياء الأتوثانية والبصريات فائقة السرعة، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “تعتمد وظيفة المادة وخصائصها كليًا على التفاعل المشترك بين مكوناتها والإلكترونات والنوى”. “المشكلة هي فهم سلوكهم في الوقت الحقيقي ودون فقدان أي شيء. لقد تمكنا من القيام بذلك للمرة الأولى مع الدقة اللازمة في زمن الأتو ثانية.”
على مدى العقد الماضي، قام الباحثون في مجموعة Attoscience and Ultrafast Optics في معهد العلوم الضوئية في إسبانيا بقيادة بيجيرت، بتطوير تقنية تسمى قياس طيف امتصاص الأشعة السينية الأتوثانية لدراسة تفاعلات الجسيمات الضوئية على هذه المقاييس الزمنية المتناهية الصغر.
مؤخرًا، ومع توفر هذه التقنية، يقول الفريق إنهم اكتشفوا مرحلة جديدة من المادة تظهر على مقياس الأتو ثانية، عندما تتفاعل الإلكترونات مع إشعاعات قوية.
Table of Contents
الأشعة السينية للأتوثانية
في دراستهم المنشورة في Nature Communications ، قام الباحثون بتشعيع عينة من الجرافيت بأشعة تحت الحمراء قوية ثم فحصوا استجابة الإلكترونات في المادة عن طريق فحص العينة بنبضات الأتوثانية من الأشعة السينية.
وأوضح بيجرت: “كان الجرافيت أول حالة اختبار لأنه يتم استخدامه في كل مكان، ولأنه من الصعب كسره نظرًا لأن المادة لها ديناميكيات تحدث بشكل أساسي في جميع الفترات الزمنية من الأتو ثانية إلى البيكو ثانية”. “من الصعب حقًا تحديد الديناميكيات المختلفة وجداولها الزمنية. ومن هنا كانت هناك أسئلة مفتوحة على الرغم من كون الجرافيت أحد أكثر المواد التي تمت دراستها جيدًا.
اعتمادًا على حالة الإلكترونات الموجودة في المادة، فإنها تمتص ضوءًا بتردد معين باحتمال ثابت، لذلك من خلال قياس خصائص الموجات الكهرومغناطيسية التي تمر عبر المادة أو تنعكس منها، يمكن معرفة حالة إلكتروناتها، بينما يسمح الطول الموجي القصير للأشعة السينية بدراسة المادة بدقة مكانية عالية جدًا.
“نحن نثير المادة بصريًا بنبضة ضوئية قوية، وبالتالي نثير الإلكترونات في حالات طاقة عالية ونلاحظ كيف تسترخي هذه الإلكترونات داخل المادة، ليس فقط بشكل فردي ولكن كنظام كامل، ونراقب التفاعل بين حاملات الشحنة هذه والشبكة نفسها. وأوضح ثيميس سيديروبولوس، المؤلف الأول للدراسة، في بيان صحفي .
هجين من المادة الخفيفة
وكشفت الدراسة أن اختلاف شدة ضوء الأشعة تحت الحمراء يغير خصائص الإلكترون فيما يتعلق بقوة الإشعاع. يشير هذا الانحراف في سلوكها عن سلوك الإلكترونات غير المتفاعلة إلى دخول المادة في مرحلة متميزة، أطلق عليها الفريق اسم هجين المادة الخفيفة، حيث خضعت الإلكترونات لتفاعل أقوى مع الضوء والإلكترونات الأخرى والشبكة البلورية للجرافيت.
إحدى أبرز خصائص الطور المادي الجديد هي أن الإلكترونات أظهرت مقاومة أقل بكثير مما كانت عليه في حالتها الأصلية، وهو ما يذكرنا بسلوك التوصيل الفائق.
الموصلية الفائقة هي خاصية مادية مرغوبة للغاية ويأمل الكثيرون أن تؤدي يومًا ما إلى اختراقات في مجال الإلكترونيات والحوسبة الكلاسيكية والكمية والطاقة ، على الرغم من أنها ليست مفهومة جيدًا حتى الآن من الناحية النظرية، مما دفع العلماء إلى الاعتماد بشكل كبير على الأساليب التجريبية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون نتائج الدراسة ذات قيمة في تطوير الخلايا الشمسية، التي يعتمد تشغيلها على تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي، وكذلك في مجال الحوسبة البصرية، التي تستخدم الضوء لمعالجة حالة الإلكترونات، وغيرها من المجالات. التكنولوجيا.
وقال بيجرت: “يتناول البحث الحالي بعض الأسئلة الأساسية ذات الصلة بالمجال الجديد للإلكترونيات الملتوية حيث يتم دمج المواد وفقًا لخصائصها لتحقيق وظائف جديدة”. “وبالتالي، فإن الدراسة أساسية ولكن ذات نطاق تطبيقي. يمكن أن يكون الاستخدام المحتمل للإلكترونيات عالية الطاقة والتي يهدف المرء إلى تخفيف خسائر الطاقة الجوهرية فيها.
واختتم قائلاً: “هذه مجرد البداية وكانت بمثابة اختبار بالنسبة لنا”. “نحن نخطط لتطبيق منهجيتنا الجديدة على الأسئلة الأساسية والتطبيقية في مجال حصاد الضوء، والإلكترونيات فائقة السرعة، والانتقالات الطورية، والموصلية الفائقة”.
مفهوم الأتوثانية
الأتوثانية، وهي فترة زمنية قصيرة لدرجة لا يمكن تصورها. قال الخبراء لوكالة فرانس برس أن عملهم باستخدام الليزر يمنح العلماء أداةً لمراقبة الإلكترونات وربما معالجتها، ما قد يؤدي إلى تحقيق إنجازات في مجالات مثل الإلكترونيات والكيمياء.
ما سرعة الأتوثانية؟
تُمثِّل الأتوثانية جزءًا من مليار مليار جزء من الثانية، ولإعطاء فكرة بسيطة عن الأمر، يوجد عدد من الأتوثانية في الثانية الواحدة يعادل عدد الثواني في تاريخ الكون البالغ 13.8 مليار سنة.
قال هانز جاكوب فورنر -الباحث في الجامعة السويسرية ETH في زيوريخ، لوكالة فرانس برس إن الأتوثانية هي أقصر نطاق زمني يمكننا قياسه مباشرةً.
لماذا نحتاج إلى مثل هذه السرعة؟
إن القدرة على العمل ضمن هذا المقياس الزمني أمر مهم لأنها السرعات التي تعمل بها الإلكترونات. مثلًا، يستغرق الإلكترون 150 أتوثانية للدوران حول نواة ذرة الهيدروجين، ويعني هذا أن دراسة الأتوثانية أتاحت للعلماء الوصول إلى عملية أساسية كانت بعيدة المنال في السابق.
قال فورنر أن حركة الإلكترونات تتوسط جميع الأجهزة الإلكترونية، والحد الأقصى للسرعة الحالي هو النانو ثانية، وأضاف أنه إذا استُخدِمَت الأتوثانية في المعالجات الدقيقة، سنتمكن من معالجة المعلومات أسرع بمليار مرة.
كيف يمكننا قياسها؟
كانت الفيزيائية الفرنسية-السويدية آن لوييه من الفائزين الثلاثة بجائزة نوبل، وأول من اكتشف وسيلةً لاستكشاف عالم الأتوثانية. تتضمن هذه الوسيلة استخدام ليزرات ذات قوة عالية لإنتاج نبضات ضوء لفترات قصيرة جدًا.
قال فرانك ليبين -الباحث في معهد الضوء والمادة الفرنسي الذي عمل مع لولييه لوكالة فرانس برس، إن الأمر يشبه «سينما أُنشِئَت للإلكترونات».
قال جون تيش، أستاذ فيزياء الليزر في كلية لندن الإمبراطورية: «يشبه الأمر جهاز نبض ضوئي سريع بصورة لا تصدق، يمكننا بعد ذلك تسليط الضوء على المواد للحصول على معلومات حول استجابتها في هذا النطاق الزمني».
أقصر زمن يمكننا الوصول إليه:
كان الفائزون الثلاثة يحملون في وقت ما الرقم القياسي لأقصر نبضة ضوء. تمكن فريق العالم الفرنسي بيير أغوستيني في عام 2001 من إطلاق نبضة ضوء استمرت مدة 250 أتوثانية، وتفوق فريق لوييه هذا بنبضة ضوء استمرت مدة 170 أتوثانية في عام 2003.
وصل الفيزيائي المجري النمساوي فيرنتس كراوس في عام 2008، إلى نصف هذا الرقم تقريبًا بنبضة ضوء استمرت مدة 80 أتوثانية.
الفريق الذي يحمل حاليًّا الرقم القياسي في موسوعة جينيس لأقصر نبضة ضوء هو فريق فورنر، بفترة زمنية تبلغ 43 أتوثانية.
وفقًا إلى تقديرات فورنر، قد تقل الفترة الزمنية إلى عدة أتوثانية باستخدام التكنولوجيا الحالية، ولكنه سيكون تحديًا كبيرًا.
ماذا يخبِّئ المستقبل؟
يقول الخبراء إن التقنيات التي تستخدم الأتوثانية لم تنتشر بصورة كبيرٍة بعد، لكن لها مستقبلًا مشرقًا، ولم يتمكن العلماء حتى الآن من استخدام الأتوثانية إلا لمراقبة الإلكترونات.
قال فورنر: «لكن ما لم نتمكن منه بعد أو بدأ للتو يصبح ممكنًا، هو التحكم في الإلكترونات والتلاعب بحركتها»، قد يؤدي هذا إلى إنتاج أجهزة إلكترونية أسرع بكثير، وحتى إلى ثورة في علم الكيمياء.
وتابع قائلًا: «لن نقتصرعلى ما تفعله الجزيئات بصورة طبيعية، بل يمكننا بدلًا من ذلك تصميمها وفق الحاجة».
أضاف أن ما يُعرف بـ «الأتو كيمياء» قد يؤدي إلى صنع خلايا شمسية أكثر كفاءةً أو حتى استخدام طاقة الضوء لإنتاج وقود نظيف.
