ليزر ثانٍ: للتصوير الإلكتروني المجنون

مثلما نستخدم الضوء لمراقبة العالم المجهري من حولنا، يمكننا أيضًا استخدام الضوء لاستكشاف العالم دون الذري. ولكن يجب مراعاة مبدأ واحد: أي قياس يجب أن يكون أسرع من الوقت اللازم ليتغير النظام قيد الدراسة بشكل كبير، وإلا فلن يتم الحصول إلا على نتائج غامضة.
في الجزيء، تتحرك الذرات على مقياس زمني بالفيمتو ثانية (تريليون من الثانية، 10^-15 ثانية)، وتتغير مواقعها وطاقاتها خلال واحد إلى بضع مئات من الأتو ثانية، ولقياس حركتها، يمكن لتقنية الفيمتو ثانية " لا تساعد.
ما مدى قصر الأتو ثانية؟ 1 أتوثانية يساوي 10^-18 ثانية، وهو ما يعادل جزءًا من مليار من مليار من الثانية. 1 أتوثانية تعادل ثانية واحدة من عمر الكون (13.8 مليار سنة). يستغرق شعاع الضوء الذي ينتقل من أحد جوانب الغرفة إلى الجدار المقابل 10 مليار ثانية قوسية.
"الحياة الحقيقية" لنبض الأتو ثانية
كيف تحصل على نبضة ضوئية بمقياس الأتو ثانية؟ من الناحية النظرية، يمكن توليد نبضات ضوئية أقصر من خلال الجمع بين نبضات ليزر ذات طول موجي قصير وأطوال موجية متعددة.
وأوضح وي تشيي، الباحث في معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، لمراسل Science and Technology Daily: "إن توليد أطوال موجية جديدة لا يحتاج فقط إلى محرك ليزر الفيمتو ثانية، ولكن يحتاج أيضًا إلى التركيز على الغاز، من خلال تفاعل ذرات الضوء والغاز لإنتاج ما يسمى بالتوافقيات العالية، التوافقيات العالية هي دورة في محرك الليزر، وتوليد دورتين من الموجة."
في عام 1987، ركز لولييه وزملاؤه شعاع ليزر يعمل بالأشعة تحت الحمراء على غاز خامل، ووجدوا أن التوافقيات الناتجة كانت أكثر عددًا وأقوى من تلك التي تم إنتاجها سابقًا باستخدام محركات ليزر ذات أطوال موجية أقصر، وأن العديد من التوافقيات المرصودة كانت لها شدة ضوء مماثلة.
وجدت دراسات أخرى أنه في ظل الظروف المناسبة، تداخلت التوافقيات لإنتاج سلسلة من نبضات الليزر في النطاق فوق البنفسجي، يبلغ طول كل منها بضع مئات من الأتو ثانية فقط.
في عام 2001، نجح أغوستيني وزملاؤه في فرنسا في توليد سلسلة من القطارات النبضية تدوم 250 آرك فقط. ذهب فيرينك كراوس وشركاؤه في النمسا في الاتجاه الآخر، حيث عزلوا نبضات ضوئية مفردة معزولة تدوم 650 ثانية قوسية واستخدموها لتتبع ودراسة عملية "سحب" الإلكترونات من الذرات.
"إنه عمل هؤلاء العلماء الثلاثة، الذين مثلهم الباحثون لأكثر من عقد من الزمن، من خلال البراعة والجهود المتواصلة، حتى وصل العلم فائق السرعة إلى عصر الأتو ثانية." قال وي تشيي.
واعد في عدد من المجالات "أظهر مهاراتك"
يمكن للطائر الطنان الصغير أن يضرب بجناحيه 80 مرة في الثانية، مع أن العين البشرية غير قادرة على الرؤية، ولكن باستخدام كاميرا عالية السرعة يمكن تأطيره في إطار واضح من الحركة.
"إن نبضة الضوء الثانية هي على وجه التحديد دراسة للعالم المادي المجهري لـ "الكاميرا عالية السرعة"، ويمكن أن تكون "مستعرة" للإلكترون المؤطر للمراقبة." قال Wei Zhiyi: "من المتوقع أن تؤدي دراسة وفهم الإلكترونات على هذا النطاق الزمني القصير (من الأتوثانية) إلى تسهيل التطور السريع للإلكترونيات فائقة السرعة، والتي قد تؤدي يومًا ما إلى ظهور شرائح كمبيوتر أكثر قوة. كما أنها تتيح لنا التمييز بين الجزيئات". بناءً على خصائصها الإلكترونية واستخدامها لتشخيص الأمراض بشكل سريع ودقيق."
وفقًا لـ Wei Zhiyi، في الوقت الحاضر، بالإضافة إلى فرق البحث المذكورة أعلاه على المستوى الدولي، يقوم عدد من فرق البحث في الولايات المتحدة وكندا وإيطاليا وسويسرا واليابان وكوريا الجنوبية ودول أخرى أيضًا بإجراء أبحاث حول توليد الطاقة. نبضات الأتو ثانية وتطبيقاتها في العديد من المجالات مثل الفيزياء والكيمياء والأحياء.
"على سبيل المثال، حقق فريق البروفيسور تشانغ زينغو في جامعة سنترال فلوريدا بالولايات المتحدة الرقم القياسي العالمي لأقصر نبضة أتوثانية مرتين، في عامي 2012 و2017، ونبضة 43-أتو ثانية التي أنشأها المعهد الفيدرالي السويسري في مجال التكنولوجيا في عام 2017، احتفظت حتى الآن بالرقم القياسي العالمي الحالي لأقصر مدة. وعلى وجه الخصوص، قام الاتحاد الأوروبي ببناء مرفق الضوء الشديد (ELI-ALPS) في هنغاريا، مع استخدام ليزر الأتوثانية كمكون رئيسي، لتزويد العلماء في مختلف المجالات بالقدرة على الوصول إلى التكنولوجيا. إجراء بحث علمي على مستوى الأتوسيكوند." يحسب Wei Zhiyi النتائج في مجال الأتو ثانية.
كما تم التركيز على نطاق واسع على الأبحاث المتعلقة بنبضات ضوء الأتو ثانية من قبل العلماء الصينيين. يحمل معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، ومعهد شنغهاي للميكانيكا البصرية، ومعهد شيان للميكانيكا البصرية، وجامعة بكين، وجامعة شرق الصين العادية، والجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع، وجامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا وغيرها من الوحدات إجراء أبحاث في مجال علم الأتو ثانية. في عام 2013، قامت مجموعة Wei Zhiyi لأول مرة في الصين بتوليد وقياس نبضة الأتو ثانية المعزولة البالغة 160 أتو ثانية، وهي الآن تتطور بشكل أكبر نحو عرض نبضة أقصر، وطاقات أعلى، وترددات تكرار أعلى، مما سيوفر الفرصة للعلماء الصينيين. لتطوير ليزر الأتو ثانية الخاص بهم. بالإضافة إلى المعدات الطرفية، فإنه يوفر منصة ومرافق دولية رائدة لأبحاث ليزر الأتو ثانية في مجالات فيزياء المادة المكثفة، والفيزياء الذرية والجزيئية، والكيمياء، والطب الحيوي، والمعلومات والطاقة.