ما هو ليزر الأتو ثانية؟

عالم الفنون القتالية، سريع فقط.
في بعض الأحيان، سنضع وقتًا قصيرًا جدًا، يُوصف بأنه "زمن نبضة القلب"، وتكون مدة نبضة القلب 10 أس 18 من الثانية.
وفي تجربة حديثة مشابهة للتصوير بتقنية إيقاف الحركة، تمكن فريق من العلماء من الولايات المتحدة وألمانيا من التقاط لأول مرة "إطارات تجميد" للإلكترونات تتحرك في الماء السائل في الوقت الحقيقي، ونشرت النتائج في مجلة العلوم.

خبراء من لجنة التحكيم يشرحون نتائج أبحاث الفائزين بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 عند الإعلان عن جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 في ستوكهولم، السويد، 3 أكتوبر 2023
ووفقا للخبراء، فإن النتيجة تمثل تقدما كبيرا في الفيزياء التجريبية، وتوفر نافذة على البنية الإلكترونية للجزيئات في السوائل على نطاقات زمنية لم يكن من الممكن تحقيقها من قبل بالأشعة السينية. في السابق، كان العلماء قادرين فقط على حل حركة الإلكترون على مقياس زمني بيكو ثانية (ثانية واحدة=1 تريليون بيكو ثانية). والآن، تتيح القدرة على دراسة التفاعلات الإلكترونية للأشعة السينية التي تصل إلى هدف على مقياس الأتو ثانية للباحثين التعمق في التفاعلات الكيميائية الناجمة عن الإشعاع أسرع بمليون مرة من الطرق السابقة.
تشير جميع الدلائل إلى أن ليزر الأتو ثانية قد يكون المفتاح لفتح عالم الإلكترونيات الغامض.
ما هو "الأتو ثانية"؟
بالنسبة للأشخاص العاديين، يعتبر الأتو ثانية مفهومًا غريبًا للغاية.
في الواقع، في وقت مبكر من فترة الدول المتحاربة، طرح المفكر الصيني الشهير، الجثة كاو، "قال يو بأربعة جوانب لأعلى ولأسفل، قال زيوس القديم والحديث"، رؤية بسيطة للمكان والزمان. وحتى يومنا هذا، وفي طليعة أبحاث الفيزياء، لا يزال المكان والزمان هما البعدان الأكثر أهمية والأساسية.
وفيما يتعلق بحواس الإنسان، عندما يكون جسم ما في حركة سريعة، تكون صوره غير واضحة ومتداخلة، ولا يمكن ملاحظة التغيرات التي تحدث في فترة زمنية قصيرة جدًا. لذلك من المهم للعلماء تطوير "نوافذ زمنية" أكثر دقة لالتقاط أو تصوير هذه اللحظات القصيرة جدًا.
في القرن التاسع عشر، كان هناك سؤال تم الحديث عنه والجدال كثيرًا في الفيزياء: عندما يركض الحصان، هل تترك أرجله الأربعة الأرض في نفس الوقت؟
كان رجل الأعمال الأمريكي ليلاند ستانفورد مهتمًا جدًا بهذا السؤال. ومن أجل التحقق من هذا التخمين، تواصل مع المصور الشهير إدوارد مويبريدج. في تلك الأيام، لم تكن وظيفة الفيديو قد ولدت بعد، عندما كان وقت استجابة مصراع الكاميرا 15 ثانية، وأحيانًا يصل إلى دقيقة واحدة.
لم تكن الخيول تبطئ من سرعتها للعناية بمصراع الكاميرا، وكانت حوافرها المتناثرة أكبر عائق أمام التحقق من هذه الفرضية. لم يستسلم إدوارد مايبريدج بهذه السهولة، فقد كانت لديه فكرة رائعة، ليس فقط لتحسين تصميم مصراع الكاميرا، ولكن أيضًا وضع 12 كاميرا وآليات على المدرج. وكلما اقترب الحصان من الكاميرا، يتم تشغيل الآلية ويتم التقاط الصورة. وفي النهاية، قام بتجميع الصور الاثنتي عشرة معًا، وهي عملية تشغيل الحصان بأكملها.
من خلال النظر إلى الصور المقسمة، سرعان ما وجد الناس إجابة السؤال: عندما يركض الحصان، يمكنه بالفعل التقاط لحظة - حيث تغادر أرجله الأربعة الأرض في نفس الوقت.
في 3 أكتوبر 2023، أعلنت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم أنها منحت جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام لبيير أغوستيني، وفيرينك كراوس، وآن لولييه عن "طريقتهم التجريبية لتوليد نبضات ضوء الأتوثانية لدراسة ديناميكيات الضوء". الإلكترونات في المادة."
"يمكننا الآن فتح الباب أمام عالم الإلكترونات. لقد منحتنا فيزياء الأتوثانية الفرصة لفهم آليات التحكم الإلكتروني. وستكون الخطوة التالية هي استغلالها". هكذا تقول إيفا أولسون، رئيسة لجنة نوبل للفيزياء.
وعندما تعمق العلماء في عالم الإلكترونات، اكتشفوا أن معدل التغير في الموضع والطاقة يتراوح بين واحد وعدة مئات من الأتو ثانية، حيث الأتو ثانية واحدة تساوي جزءًا من المليار من الثانية. تعد تقنية الضوء النبضي الأتو ثانية أسرع مقياس زمني متوفر حاليًا للبشرية، وهي مثل المسطرة، كلما كان مقياس المسطرة أدق، زادت دقة ما يمكن قياسه.
وقال يوان لانفنغ، نائب مدير قسم العلوم والتكنولوجيا والاتصالات، كلية العلوم الإنسانية والاجتماعية، جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، إن نبض ضوء الأتو ثانية يمكن فهمه على أنه مبدأ الكاميرا عالية السرعة، وأن هناك حاجة إلى كاميرا ذات سرعة رد فعل سريعة لالتقاط اللحظات الرائعة لعملية حركة الشخص. نبضة الأتو ثانية الضوئية هي "الكاميرا عالية السرعة" في أبحاث التفاعلات المجهرية.
في الماضي، كان الحد الزمني لنبضات الليزر هو "الفيمتو ثانية"، وهو ما كان كافيًا للناس لرؤية الذرات، أما بالنسبة للإلكترونات، فإن الدقة الزمنية لـ "الفيمتو ثانية" كانت خشنة جدًا لدرجة أنه وفقًا لهذا المقياس، لا يمكن للمرء سوى الحصول على تأثير يشبه الفسيفساء. يتقدم نبضات الضوء المتماسكة من الفيمتو ثانية
إن تقدم نبضات الضوء المتماسكة من الفيمتو ثانية إلى الأتو ثانية ليس مجرد تقدم بسيط في مقياس زمني، ولكن الأهم من ذلك أنه يعزز قدرة الناس على دراسة بنية المادة من حركة الذرات والجزيئات إلى داخل الذرات، حيث يمكنهم استكشاف سلوكيات الحركة والارتباط للإلكترونات، مما سيؤدي إلى ثورة كبيرة في أبحاث الفيزياء الأساسية.
ما الذي سيجلبه الأتو ثانية للناس العاديين؟
في أحد أيام عام 1999، فاز أحمد كزافييه، الأستاذ في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بجائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافه. إن الأبحاث التي أجراها كزافييه في الثمانينات، باستخدام شعاع الليزر لتصوير تذبذبات الذرات في الحالة الانتقالية، ساعدت العلماء على مراقبة الذرات والجزيئات في عملية التفاعلات الكيميائية "بالحركة البطيئة"، وبالتالي دراسة طبيعة وبنية المادة. الدولة الانتقالية. لهذا السبب، يُعرف كزافييه أيضًا باسم "أبو كيمياء الفيمتو ثانية".
ومنذ ذلك الحين، أدرك العلماء أن أشعة الليزر، مثل البرق، يمكنها التقاط تلك اللحظات العابرة. وقد وفر هذا الاكتشاف الأساس النظري لسلسلة من الدراسات التخريبية.
واليوم، تمت ترقية سرعة هذا الليزر ألف مرة، مما أدى بنجاح إلى تحقيق التغيير الجذري من الفيمتو ثانية إلى الأتو ثانية.
في الوقت الحاضر، عندما يذكر الناس ليزر الفيمتو ثانية، غالبًا ما يفكرون في العديد من التطبيقات التي تمثلها جراحة قصر النظر بالليزر الفيمتو ثانية. وعندما يتعلق الأمر بليزر الأتو ثانية، يبدو من الصعب ربط هذا المصطلح بالحياة الإنتاجية للأشخاص العاديين.
قال Yuan Lanfeng بصراحة: "لا يستخدم الليزر الثاني كثيرًا في الوقت الحاضر، وقد بدأ تطبيقه للتو، ولا يزال عالقًا في البحث الأساسي." ومع ذلك، هذا لا يعني أن نبضة الأتو ثانية الضوئية ليس لها إمكانية تطبيقية، "إنها تفتح بابًا، لكن ما خلف هذا الباب لا يزال بحاجة إلى استكشافه بعمق". هو قال.
إذن ماذا يوجد خلف هذا الباب؟

تم تصوير نظام الاستئصال بالمجال النبضي في جناح شركة Medtronic في قسم الأجهزة الطبية والرعاية الصحية في المعرض السادس في 5 نوفمبر 2023
"حركة الإلكترون هي المسؤولة عن توليد الضوء وكذلك تكوين وكسر الروابط الكيميائية التي تغير بنية الجزيئات الحيوية ووظيفتها في الأنظمة الحية، ومعالجة المعلومات بأسرع ما يمكن ...... واليوم نستخدم نبضات ضوء الأتو ثانية لفهم العمليات المجهرية التي تتضمن الإلكترونات والذرات والجزيئات بشكل أفضل ومعرفة كيفية تأثيرها على العالم المجهري." وفي وقت سابق، بعد فوزه بجائزة وولف في الفيزياء، ذكر فيرينك كراوس قيمة تطبيقات فيزياء الأتوثانية بهذه الطريقة.
من ناحية أخرى، قالت إيفا أولسون إن فيزياء الأتو ثانية تمنحنا الفرصة لفهم آليات التحكم الإلكتروني، مما يمهد الطريق لتطبيقات محتملة في صناعة المعلومات الإلكترونية والطب.
ويعتقد وي تشيي، الباحث في معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، أنه يمكن دمج التكنولوجيا مع الموصلية الفائقة والمواد النانوية والصناعة الكهروضوئية والأدوية وطب الليزر وغيرها من المجالات لتعزيز فهم أكثر تعمقا للهيكل. المادة بواسطة البشرية، الأمر الذي سيؤدي إلى تقدم ثوري ذي صلة.
مما لا شك فيه، على الرغم من أن التطبيق الحالي لفيزياء الأتوثانية لا يزال بعيدًا عن خيال بعض الناس، إلا أنه يحتوي على نطاق واسع للغاية من سيناريوهات التطبيق.
إنه يزود البشرية بزوج من "العيون الذكية" لدراسة العالم المجهري.
بفضل دعمه، لن تحتاج العديد من العمليات المجهرية إلى "أدلة ظرفية" لتأكيدها، ولكن يمكن ملاحظتها مباشرة: يمكن استخدام ليزر الأتو ثانية لتصوير مجموعة متنوعة من عمليات الحركة عالية السرعة، مثل التفاعلات الكيميائية، والتفاعلات الجزيئية. الحركة والحركة على المستوى الذري.
يمكن أن يساعد تصوير التفاعلات الكيميائية باستخدام ليزر الأتو ثانية العلماء على فهم آليات التفاعل بشكل أفضل وتحسين العمليات الكيميائية بشكل أكبر. إن تصوير حركات الجزيئات والذرات باستخدام ليزر الأتو ثانية يمكن أن يكشف عن تفاعلاتها وعملياتها الحركية، والتي تعتبر مهمة للبحث في علوم المواد والعلوم الحيوية.
وفي مجال الطب الحيوي، على سبيل المثال، من المتوقع أن تعمل تقنية التصوير عالي الدقة لنبضات الأتو ثانية على تعزيز التشخيص المبكر للأمراض وعلاجها، وتوفير اختراقات جديدة لدراسة السرطان والأمراض العصبية وغيرها من التحديات الطبية الكبرى.
ومن المعلوم أن فريق فيرينك كراوس يحاول أيضًا استخدام تقنيات الفيمتو ثانية والأتوثانية لتحليل عينات الدم واكتشاف التغيرات الصغيرة فيها. ويقومون بتحليل ما إذا كانت هذه التغييرات محددة بدرجة كافية لتكون قادرة على تشخيص المرض بوضوح في المرحلة الأولية من المرض، وقد يكون لهذه التكنولوجيا تأثير كبير على دراسة السرطان والأمراض الصعبة الأخرى.
تسارع "عصر الأتو ثانية"؟
في عام 2021، نشرت مجلة Science "125 مشكلة من أكثر المشكلات العلمية تطورًا في العالم"، منها أكثر من 10 تحتاج إلى حل عن طريق العلم فائق السرعة. ومن المتوقع أن يؤدي ظهور نبضات الأتو ثانية إلى المزيد من الابتكارات الأصلية في العديد من مجالات البحث العلمي والتطبيقي.
ليزر الأتو ثانية ليس هدية من الطبيعة، بل معجزة من صنع الإنسان.
كانت الفيزيائية الفرنسية آن لولييه أول من اكتشف الأدوات اللازمة لفتح عالم الأتو ثانية. في عام 1987، كانت تقوم بتجارب تأين الغاز، حيث قامت بتحويل الطول الموجي 1064 نانومتر من ضوء الليزر إلى الأرجون والعديد من الغازات النادرة الأخرى، وبدا أن الغاز بلون مختلف عن التجارب السابقة.
ثم نشرت بحثًا رئيسيًا، تكتشف فيه ظاهرة التوافقيات العالية الناتجة عن تشعيع الليزر القوي للغازات النبيلة، وحصلت على البنية الطيفية النموذجية للتوافقيات العالية، والتي كان عرضها الطيفي قادرًا على دعم النبضات في حدود الأتو ثانية، مما يوفر الشروط الأساسية لاختراق نبضات الليزر إلى الأتو ثانية. منذ ذلك الحين، ارتبطت مسيرتها البحثية وليزر الأتوثانية بشكل وثيق، وبعد 16 عامًا، قادت فريقًا من الباحثين لتسجيل رقم قياسي عالمي لأقصر نبضة ليزر تبلغ 170 أتو ثانية.
العالمان الآخران اللذان فازا بجائزة نوبل في الفيزياء معها أضافا أيضًا إلى "مبنى الأتوثانية": قاد المجري فيرينك كراوس فريقًا من الباحثين لإنشاء وقياس أول نبضة ضوئية من الأتوثانية في عام 2001، واستخدمها لالتقاط حركة الإلكترونات داخل الذرات، إيذانا بميلاد فيزياء الأتو ثانية. بالإضافة إلى ذلك، تمكن فريقه من عزل نبضات تدوم 650 أتوثانية، وهي المرة الأولى التي ينجح فيها العلماء في تتبع انفصال الإلكترونات عن الذرات. كان الفرنسي بيير أغوستيني، رائد تفاعل ليزر المجال القوي مع الذرات، وفريقه رائدين في فيزياء الأتوثانية عن طريق توليد وقياس نبضات ضوء الأتوثانية لأول مرة واستخدامها لالتقاط حركة الإلكترونات داخل الذرات.
واليوم، يتنافس المزيد من العلماء على المركز الأول في هذا المجال في أجزاء كثيرة من العالم.
في المختبر، تتكرر النتائج المثمرة: في عام 2022، تعاون باحثون من جامعة ميشيغان وجامعة ريغنسبورغ في ألمانيا لالتقاط حركة الإلكترونات في غضون بضع مئات من الأتو ثانية، وهي أسرع سرعة حتى الآن.
وفي نفس العام، تعاون فريق من الباحثين من مركز الضوئيات المتقدمة في معهد RIKEN للعلوم والكيمياء في اليابان وجامعة طوكيو لتطوير نوع جديد من مقياس التداخل للتعامل مع الأطراف الناشئة عن التداخل البصري الناشئ عن نبضات الأتوثانية. والتداخل الكمي مع الحالات الإلكترونية في المادة. لقد أظهروا جدوى مخطط التداخل عن طريق تقسيم ما بعد التوليد للنبضات التوافقية العالية من خلال التجارب باستخدام عينات من ذرات الهيليوم.
بالإضافة إلى ذلك، بدأ البناء الدولي والمنافسة على منشأة ليزر الأتوسيكوند. وبدعم من الفيزيائي جيرار مورو الحائز على جائزة نوبل وآخرين، أخذ الاتحاد الأوروبي زمام المبادرة في المجر في بناء مرفق الضوء الأوروبي الفائق - مصدر الضوء ألتو ثانية (ELI-ALPS)، وشجع بناء شركات ذات شهرة عالمية مثل مثل Fastlite، والألياف النشطة، وتحويل الضوء. شركات تكنولوجيا الليزر مثل Fastlite وActive Fiber وLight Conversion وغيرها من شركات تكرار المنتجات المشهورة عالميًا وترقيتها، ستلعب تكنولوجيا الليزر من الجيل الجديد دورًا مهمًا في التصنيع المتقدم وعلوم وتكنولوجيا الدفاع الوطني وغيرها من المجالات.
في الصين، تقوم وحدات البحث العلمي ذات الصلة ببناء البنية التحتية لمصادر ضوء الأتو ثانية على نطاق واسع، مثل معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم ومختبر مواد بحيرة سونغشان في دونغقوان بمقاطعة قوانغدونغ، وبحيرة سونغشان لبناء مركز الأتوسيكوند للعلوم. ومن المعلوم أنه بعد الانتهاء من هذا المركز من المتوقع أن يحقق المؤشرات العالمية الرائدة الشاملة.