قد لا تبدو حركة الإلكترونات في الجزيء وكأنها حبكة فيلم مثير للاهتمام. لكن مجموعة من العلماء سيحصلون على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 لأبحاثهم التي تتبع بشكل أساسي حركة الإلكترونات باستخدام نبضات ليزر فائقة السرعة، مثل التقاط الإطارات في كاميرا الفيديو.
ومع ذلك، فإن الإلكترونات، التي تشكل الذرات جزئيًا وتشكل الغراء الذي يربط الذرات في الجزيئات معًا، لا تتحرك بنفس المقياس الزمني الذي يتحرك به البشر. إنهم أسرع بكثير. لذا، فإن الأدوات التي يستخدمها الفيزيائيون مثلي لالتقاط حركتهم يجب أن تكون سريعة جدًا – بسرعة تصل إلى الأتو ثانية.
واحد أتوثانية هو واحد من مليار من مليار من الثانية (10⁻¹⁸ ثانية) – نسبة واحد أتو ثانية إلى ثانية واحدة هي نفس نسبة ثانية واحدة إلى عمر الكون.
نبضات الأتو ثانية
في التصوير الفوتوغرافي، يتطلب التقاط صور واضحة للأجسام السريعة كاميرا ذات غالق سريع أو وميض سريع من الضوء لإضاءة الجسم. ومن خلال التقاط صور متعددة في تتابع سريع، يمكن حل حركة الجسم بوضوح.
يجب أن يتطابق المقياس الزمني للغالق أو الوميض مع المقياس الزمني لحركة الكائن – وإذا لم يكن الأمر كذلك، فستكون الصورة غير واضحة. تنطبق هذه الفكرة نفسها عندما يحاول الباحثون تصوير حركة الإلكترونات فائقة السرعة. يتطلب التقاط الحركة بمقياس الأتو ثانية وميض الأتو ثانية. وقد قدم الحائزون على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 مساهمات أساسية في توليد ومضات ليزر الأتو ثانية، وهي عبارة عن نبضات قصيرة جدًا يتم توليدها باستخدام ليزر قوي.
تخيل أن الإلكترونات الموجودة في الذرة مقيدة داخل الذرة بجدار. عندما يتم توجيه نبضة ليزر الفيمتو ثانية (10⁻¹⁵ ثانية) من ليزر الفيمتو ثانية عالي الطاقة نحو ذرات الغاز النبيل مثل الأرجون، فإن المجال الكهربائي القوي في النبضة يخفض الجدار.
وهذا ممكن لأن قوة المجال الكهربائي لليزر يمكن مقارنتها بالمجال الكهربائي لنواة الذرة. ترى الإلكترونات هذا الجدار المنخفض وتمر من خلاله في عملية غريبة تسمى النفق الكمي.
بمجرد خروج الإلكترونات من الذرة، يلتقطها المجال الكهربائي لليزر، ويسرعها إلى طاقات عالية ويدفعها مرة أخرى إلى ذراتها الأصلية. تؤدي عملية التذكر هذه إلى إنشاء رشقات نارية من ضوء الليزر بأتوثانية.
افلام اتوثانية
إذًا كيف يستخدم الفيزيائيون هذه النبضات البالغة القصر لإنتاج أفلام من الإلكترونات على مقياس الأتو ثانية؟
تُصنع الأفلام التقليدية مشهدًا واحدًا في كل مرة، ويتم التقاط كل لحظة كإطار بكاميرات الفيديو. ثم يتم تجميع المشاهد معًا لتكوين الفيلم الكامل.
تستخدم أفلام الأتو ثانية للإلكترونات فكرة مماثلة. تعمل نبضات الأتو ثانية بمثابة ومضات، تضيء الإلكترونات حتى يتمكن الباحثون من التقاط صورها مرارًا وتكرارًا أثناء تحركها، مثل مشهد فيلم. وتسمى هذه التقنية التحليل الطيفي لمسبار المضخة.
ومع ذلك، فإن تصوير حركة الإلكترون مباشرة داخل الذرات يمثل تحديًا حاليًا، على الرغم من أن الباحثين يطورون عدة طرق باستخدام المجاهر المتقدمة لجعل التصوير المباشر ممكنًا.
عادةً، في التحليل الطيفي لمسبار المضخة، تعمل نبضة “المضخة” على تحريك الإلكترون وبدء الفيلم. ثم يقوم نبض “مسبار” بإضاءة الإلكترون في أوقات مختلفة بعد وصول نبض المضخة، بحيث يمكن التقاطه بواسطة “الكاميرا”، مثل مطياف الإلكترون الضوئي.
ويتم التقاط المعلومات المتعلقة بحركة الإلكترونات، أو “الصورة”، باستخدام تقنيات متطورة. على سبيل المثال، يكتشف مطياف الإلكترون الضوئي عدد الإلكترونات التي تمت إزالتها من الذرة بواسطة نبضة المسبار، أو يقيس مطياف الفوتون مقدار نبضة المسبار التي امتصتها الذرة.
يتم بعد ذلك تجميع “المشاهد” المختلفة معًا لتكوين أفلام الأتوثانية من الإلكترونات. تساعد هذه الأفلام في توفير رؤية أساسية، بمساعدة النماذج النظرية المتطورة، حول السلوك الإلكتروني للأتوسيكوند.
على سبيل المثال، قام الباحثون بقياس مكان تواجد الشحنة الكهربائية في الجزيئات العضوية في أوقات مختلفة، على مقياس زمني للأتو ثانية. وهذا قد يسمح لهم بالتحكم في التيارات الكهربائية على المستوى الجزيئي.
التطبيقات المستقبلية
في معظم الأبحاث العلمية، يؤدي الفهم الأساسي للعملية إلى التحكم في العملية، ويؤدي هذا التحكم إلى تقنيات جديدة. يمكن أن تؤدي الأبحاث التي يحركها الفضول إلى تطبيقات لا يمكن تصورها في المستقبل، ومن المرجح أن لا يختلف علم الأتو ثانية عن ذلك.
إن فهم سلوك الإلكترونات والتحكم فيه على مقياس الأتو ثانية يمكن أن يمكّن الباحثين من استخدام الليزر للتحكم في التفاعلات الكيميائية التي لا يمكنهم فعلها بوسائل أخرى. يمكن أن تساعد هذه القدرة في هندسة جزيئات جديدة لا يمكن إنشاؤها باستخدام التقنيات الكيميائية الحالية.
القدرة على تعديل سلوك الإلكترون يمكن أن تؤدي إلى مفاتيح فائقة السرعة. يمكن للباحثين تحويل عازل كهربائي إلى موصل على مقياس الأتو ثانية لزيادة سرعة الإلكترونيات. تقوم الإلكترونيات حاليًا بمعالجة المعلومات بمقياس البيكو ثانية، أو 10⁻¹² من الثانية.
قد يشهد الطول الموجي القصير لنبضات الأتو ثانية، والذي يكون عادةً في نظام الأشعة فوق البنفسجية القصوى، أو EUV، تطبيقات في الطباعة الحجرية EUV في صناعة أشباه الموصلات. تستخدم الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية ضوء الليزر بطول موجي قصير جدًا لحفر دوائر صغيرة على الرقائق الإلكترونية.
في الماضي القريب، ظهرت أشعة ليزر الإلكترون الحر مثل مصدر الضوء المتماسك Linac في مختبر المسرع الوطني SLAC في الولايات المتحدة كمصدر لضوء الليزر الساطع بالأشعة السينية. تولد هذه الأشعة الآن نبضات على مقياس الأتو ثانية، مما يفتح العديد من الاحتمالات للبحث باستخدام الأشعة السينية للأتوثانية.
كما تم اقتراح أفكار لتوليد نبضات ليزر بمقياس الزيبتوثانية (10⁻²¹ ثانية). يمكن للعلماء استخدام هذه النبضات، والتي هي أسرع من نبضات الأتوثانية، لدراسة حركة الجسيمات مثل البروتونات داخل النواة.
مع وجود العديد من المجموعات البحثية التي تعمل بنشاط على حل المشكلات المثيرة في علم الأتوثانية، ومع اعتراف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 بأهميته، فإن لعلم الأتوثانية مستقبل طويل ومشرق.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. تحتوي المحادثة على مجموعة متنوعة من النشرات الإخبارية المجانية الرائعة.
كتب بواسطة: نيرانجان شيفارام، جامعة بوردو.
اقرأ أكثر:
يتلقى نيرانجان شيفارام تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم ووزارة الطاقة الأمريكية.