طور علماء من جامعة كونستانز طريقة تستخدم ومضات ضوء الفيمتو ثانية لتوليد نبضات إلكترونية مدتها حوالي خمسة أتوثانية. هذا الاختراق، الذي يوفر دقة زمنية أعلى من موجات الضوء، يمهد الطريق لمراقبة الظواهر فائقة السرعة، مثل التفاعلات النووية.
قام فيزيائيون من جامعة كونستانز بتوليد واحدة من أقصر الإشارات التي أنتجها الإنسان على الإطلاق.
يمكن أن تحدث العمليات الجزيئية أو الحالة الصلبة في الطبيعة في بعض الأحيان في أطر زمنية قصيرة مثل الفمتوثانية (كوادريليون من الثانية) أو الأتو ثانية (كوينتيليون من الثانية). التفاعلات النووية أسرع. الآن، يستخدم مكسيم تساريف، ويوهانس ثورنر، وبيتر باوم، وهم علماء من جامعة كونستانز، مجموعة تجريبية جديدة لتحقيق إشارات مدتها الأتو ثانية، أي أجزاء من المليار من النانو ثانية، مما يفتح آفاقًا جديدة في مجال الظواهر فائقة السرعة.
ولا يمكن حتى لموجات الضوء تحقيق مثل هذا القرار الزمني لأن التذبذب الواحد يستغرق وقتًا طويلاً جدًا لتحقيق ذلك. توفر الإلكترونات علاجًا هنا، لأنها تتيح دقة زمنية أعلى بكثير. في إعدادهم التجريبي، استخدم الباحثون في كونستانز أزواجًا من ومضات ضوء الفيمتو ثانية من الليزر لتوليد نبضات إلكترونية قصيرة للغاية في شعاع الفضاء الحر. وتنشر النتائج في المجلة فيزياء الطبيعة.
وكيف ذهب العلماء نحو ذلك؟
على غرار موجات الماء، يمكن أيضًا أن تتراكب موجات الضوء لتكوين قمم وقيعان موجات ثابتة أو متنقلة. اختار الفيزيائيون زوايا السقوط والترددات بحيث تتداخل الإلكترونات المشاركة في الانتشار، والتي تطير عبر الفراغ بسرعة نصف سرعة الضوء، مع قمم وقيعان الموجات الضوئية بنفس السرعة تمامًا.
ما يعرف بالقوة الدافعة العميقة يدفع الإلكترونات في اتجاه قاع الموجة التالية. وهكذا، بعد تفاعل قصير، يتم إنشاء سلسلة من نبضات الإلكترون التي تكون قصيرة للغاية في الوقت المناسب – خاصة في منتصف قطار النبض، حيث تكون المجالات الكهربائية قوية جدًا.
لفترة قصيرة، تبلغ المدة الزمنية لنبضات الإلكترون حوالي خمسة أتوثانية فقط. ومن أجل فهم هذه العملية، قام الباحثون بقياس توزيع سرعة الإلكترونات التي تبقى بعد الضغط. يوضح الفيزيائي يوهانس ثورنر: “بدلاً من السرعة المنتظمة جدًا لنبضات الخرج، ترى توزيعًا واسعًا جدًا ينتج عن التباطؤ القوي أو التسارع لبعض الإلكترونات أثناء الضغط”. “ولكن ليس ذلك فحسب: فالتوزيع ليس سلسًا. وبدلاً من ذلك، فهو يتكون من آلاف خطوات السرعة، نظرًا لأن عددًا صحيحًا فقط من أزواج جسيمات الضوء يمكنه التفاعل مع الإلكترونات في المرة الواحدة.
أهمية للبحث
يقول العالم إن ميكانيكا الكم عبارة عن تراكب زمني (تداخل) للإلكترونات مع نفسها، بعد أن شهدت نفس التسارع في أوقات مختلفة. وهذا التأثير ذو صلة بتجارب ميكانيكا الكم، على سبيل المثال، تفاعل الإلكترونات والضوء.
ومن اللافت للنظر أيضًا: أن الموجات الكهرومغناطيسية المستوية، مثل شعاع الضوء، لا يمكنها عادةً أن تسبب تغيرات دائمة في سرعة الإلكترونات في الفراغ، لأن الطاقة الإجمالية والزخم الإجمالي للإلكترون الضخم وجسيم ضوئي ذو كتلة صفرية (الفوتون) لا يمكن حفظها. ومع ذلك، فإن وجود فوتونين في وقت واحد في موجة تتحرك بسرعة أبطأ من سرعة الضوء يحل هذه المشكلة (تأثير كابيتزا-ديراك).
بالنسبة لبيتر باوم، أستاذ الفيزياء ورئيس مجموعة الضوء والمادة في جامعة كونستانز، لا تزال هذه النتائج بحثًا أساسيًا بشكل واضح، لكنه يؤكد على الإمكانات الكبيرة للبحث المستقبلي: “إذا اصطدمت مادة ما بنبضتين من نبضاتنا القصيرة وعلى فترات زمنية متغيرة، يمكن للنبضة الأولى أن تؤدي إلى تغيير ويمكن استخدام النبضة الثانية للمراقبة – على غرار فلاش الكاميرا.
ومن وجهة نظره، فإن الميزة الكبرى هي أنه لا توجد مادة متضمنة في المبدأ التجريبي، وكل شيء يحدث في الفضاء الحر. يمكن من حيث المبدأ استخدام الليزر بأي قوة في المستقبل للحصول على ضغط أقوى. يقول باوم: “يسمح لنا ضغط الفوتون الجديد لدينا بالانتقال إلى أبعاد جديدة للزمن وربما حتى تصوير التفاعلات النووية”.
المرجع: “التحكم الكمي البصري غير الخطي في موجات المادة الإلكترونية الحرة” بقلم مكسيم تساريف ويوهانس دبليو ثورنر وبيتر باوم، 12 يونيو 2023، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-023-02092-6
More Stories
صاروخ فالكون 9 التابع لشركة سبيس إكس يتوقف قبل إطلاقه ملياردير في مهمة خاصة
بقرة بحرية ما قبل التاريخ أكلها تمساح وسمكة قرش، بحسب حفريات
إدارة الطيران الفيدرالية تطلب التحقيق في فشل هبوط صاروخ فالكون 9 التابع لشركة سبيس إكس