لا يستخدم الأطباء أشعة الأشعة السينية فقط لرؤية ما بداخل جسمك ومعرفة ما إذا كان لديك عظم مكسور. يمكن للأشعة الأكثر قوة المكونة من ومضات قصيرة جدًا من الأشعة السينية أن تساعد العلماء على فهم بنية الذرات والجزيئات الفردية والتمييز بين أنواع العناصر.
لكن الحصول على شعاع ليزر من الأشعة السينية يصدر ومضات قصيرة للغاية لالتقاط أسرع العمليات في الطبيعة ليس بالأمر السهل، فهو علم كامل في حد ذاته.
موجات الراديو، الموجات الدقيقة، الضوء المرئي الذي يمكنك رؤيته، الضوء فوق البنفسجي والأشعة السينية كلها نفس الظاهرة تمامًا: موجات الطاقة الكهرومغناطيسية التي تتحرك عبر الفضاء. ما يميزهم هو الطول الموجي. الموجات الموجودة في نطاق الأشعة السينية لها أطوال موجية قصيرة، في حين أن موجات الراديو وأجهزة الميكروويف أطول بكثير. تعد الأطوال الموجية المختلفة للضوء مفيدة لأشياء مختلفة، حيث تساعد الأشعة السينية الأطباء على التقاط صور لجسمك، بينما يمكن لأشعة الميكروويف تسخين غداءك.
الليزر البصري عبارة عن أجهزة تبعث أشعة ضوئية متوازية أو موازية. يرسلون شعاعًا حيث تكون جميع الموجات لها نفس الطول الموجي – الضوء الأحمر الذي تحصل عليه من مؤشر الليزر هو أحد الأمثلة – ويتأرجح بالتزامن.
على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية، قام العلماء ببناء أشعة ليزر حرة الإلكترون تعمل بالأشعة السينية، والتي بدلًا من إصدار حزم من الضوء المرئي، تبعث الأشعة السينية. يتم وضعها في منشآت كبيرة حيث تنتقل الإلكترونات عبر مسرع طويل – اعتمادًا على المنشأة، بين بضع مئات من الأمتار و 1700 ياردة – وبعد المرور عبر سلسلة من آلاف المغناطيسات، فإنها تولد نبضات أشعة سينية قصيرة وقوية للغاية.
يتم استخدام النبضات مثل التصوير الفوتوغرافي بالفلاش، حيث يكون الفلاش – نبضة الأشعة السينية – قصيرًا بما يكفي لالتقاط الحركة السريعة لجسم ما. وقد استخدمها الباحثون ككاميرات لدراسة كيفية تحرك الذرات والجزيئات وتغيرها داخل المواد أو الخلايا.
ولكن على الرغم من أن نبضات الليزر ذات الإلكترون الحر من الأشعة السينية قصيرة جدًا وقوية، إلا أنها ليست أقصر نبضات يمكن للعلماء إنتاجها باستخدام الليزر. ومن خلال استخدام تكنولوجيا أكثر تقدمًا والاستفادة من خصائص بعض المواد، يمكن للباحثين إنشاء نبضات أقصر: في منطقة الأتو ثانية.
واحد أتوثانية هو واحد من المليار من المليار من الثانية. الأتو ثانية تساوي ثانية واحدة تقريبًا ما تعادل الثانية الواحدة عمر الكون البالغ 14 مليار سنة. تحدث أسرع العمليات في الذرات والجزيئات على مقياس الأتو ثانية: على سبيل المثال، يستغرق الأمر الإلكترونات أتو ثانية للتحرك داخل الجزيء.
نحن فيزيائيون نعمل باستخدام أشعة ليزر الأشعة السينية الخالية من الإلكترونات. نحن ندرس ما يحدث عندما نضع أنواعًا مختلفة من المواد في مسار نبضات الإلكترونات الحرة للأشعة السينية. في تجربة جديدة، وضعنا عينات من النحاس والمنجنيز في مسار نبضات ليزر حرة التركيز من الأشعة السينية. كنا نعلم أن التفاعلات بين هذه العناصر ونبضات الليزر الخالية من الأشعة السينية من شأنها أن تولد نبضات ليزر أشعة سينية جديدة.
في الأصل، أردنا معرفة كيف يمكن للأشكال الكيميائية المختلفة لعنصر المنغنيز – على سبيل المثال، المنغنيز II والمنغنيز السابع – أن تخلق تغييرات صغيرة في الأطوال الموجية لنبضات الليزر بالأشعة السينية المولدة حديثًا.
لكن على طول الطريق، وجدنا بعض النتائج غير المتوقعة التي جعلت نبضات ليزر الأشعة السينية المتولدة حديثًا تعمل بشكل غريب. في البداية، لم نفهم السبب، ولكن عندما اكتشفنا ذلك في النهاية، أدركنا أننا اكتشفنا ظاهرتين ليزريتين فريدتين، وأن هذه التأثيرات ساعدتنا في توليد نبضات ليزر من الأشعة السينية أقصر بكثير مما توقعنا – أقصر من أسرع نبضات أشعة سينية تم توليدها على الإطلاق.
الشعيرة – طفرات غير منتظمة
لقد وجدنا أن نبضات ليزر الأشعة السينية الجديدة لم تكن تنطلق دائمًا في الاتجاه الأمامي، كما توقعنا. وعندما قمنا بزيادة شدة نبضات ليزر الأشعة السينية الحرة الإلكترون، انبثقت نبضات ليزر الأشعة السينية الجديدة الناتجة بشكل غير منتظم، في اتجاهات مختلفة قليلا.
بالنسبة لأجهزة الليزر الضوئية، تنتج هذه الاندفاعات غير المنتظمة – أو الشعيرات – عن تغير مؤشر الانكسار في مادة الليزر. لكننا لم نتوقع رؤية هذا التأثير بالنسبة للأشعة السينية، لأن المواد – بما في ذلك المنغنيز والنحاس الذي استخدمناه – لا تنكسر الأشعة السينية كثيرًا.
ومع ذلك، فإن نبضات ليزر الأشعة السينية الحرة ذات الكثافة العالية التي استخدمناها ولدت تقلبات على المستوى الكمي في المواد التي لدينا، مما أدى إلى هذه الطفرات غير المنتظمة.
ربيع الدراجات – طيف واسع من الضوء
والأكثر إثارة للدهشة من تأثيرات الخيوط التي رأيناها هو حقيقة أن نبضات الأشعة السينية التي أنشأناها تحتوي على مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية المختلفة التي كانت أكثر انتشارًا مما توقعنا رؤيته مع المواد التي استخدمناها.
قبل سبعين عامًا – قبل خمس سنوات من بناء أول ليزر ضوئي – اكتشف الفيزيائيان ستانلي أوتلر وتشارلز تاونز ظاهرة غريبة في الموجات الميكروية تُعرف باسم دورة رابي. وكان انتشار الأطوال الموجية التي رأيناها يشبه ركوب دراجة ربيع.
عرف أوتلر وتاونز أنه عندما يضرب الضوء ذرة، فإن الذرة تمتص طاقتها عن طريق إثارة إلكترون من مستوى طاقة إلى مستوى أعلى. يتم ملء الفجوة التي خلفها هذا الإلكترون المفقود بإلكترون ينزل من مستوى طاقة أعلى في الذرة ويطلق – أو ينبعث – فرق الطاقة هذا على شكل ضوء.
ما اكتشفه أوتلر وتاونز هو أنه عندما تكون الموجات الميكروية شديدة للغاية، يمكن للمجال الكهربائي القوي أن يقسم كل مستوى من مستويات الطاقة هذه إلى مستويين متميزين، يُطلق عليهما “الثنائيات”، والتي لها طاقات مختلفة قليلاً.
ويتم فصل هذه الثنائيات بواسطة طاقة أو تردد يعرف بتردد ربيع. يعتمد تردد ربيع على شدة الضوء الجديد. كلما كان أقوى، كلما كان فصل الطاقة أكبر.
يُظهر طيف طلقة الليزر بالأشعة السينية الخطوط الثلاثة – التي تسمى Mollow الثلاثية – التي تميز ركوب الدراجات في ربيع. تظهر الطاقة المنقسمة من خلال المسافة بين النقطتين الأصغر حجمًا والنقطة المركزية الأقوى. أوفي بيرجمان وتوماس لينكر
في اكتشاف أوتلر وتاونز لركوب الدراجات الربيعية، استخدموا الموجات الدقيقة. كان تقسيم الطاقة صغيرًا جدًا لدرجة أن تردد رابي كان منخفضًا جدًا عند ترددات الموجات الراديوية.
استخدمنا في هذه الدراسة الجديدة الأشعة السينية، التي لها أطوال موجية أقصر بـ 100 مليون مرة من الموجات الدقيقة وطاقة أكبر بـ 100 مليون مرة. وهذا يعني أن نبضات ليزر الأشعة السينية الجديدة الناتجة قد تم تقسيمها إلى أطوال موجية مختلفة للأشعة السينية المقابلة لترددات رابي في منطقة الأشعة فوق البنفسجية القصوى. الأشعة فوق البنفسجية لها تردد أعلى 100 مليون مرة من موجات الراديو.
سمح لنا تأثير دورة ربيع بتوليد أقصر نبضات أشعة سينية عالية الطاقة حتى الآن، حيث وصلت إلى 60-100 أتو ثانية.
الاتجاهات والتطبيقات المستقبلية
في حين أن النبضات التي تولدها حاليًا أشعة ليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية تسمح للباحثين بمراقبة تكوين الروابط الذرية وإعادة ترتيبها وكسرها، إلا أنها ليست بالسرعة الكافية للنظر داخل السحابة الإلكترونية التي تولد مثل هذه الروابط. إن استخدام نبضات ليزر الأشعة السينية الجديدة من نوع الأتو ثانية يمكن أن يسمح للعلماء بدراسة أسرع العمليات في المواد على مقياس الطول الذري وتمييز العناصر المختلفة.
وفي المستقبل، نأمل أيضًا في استخدام نبضات ليزر خالية من الإلكترونات الحرة للأشعة السينية أقصر بكثير لتوليد نبضات الأشعة السينية هذه بشكل أفضل. ونأمل أيضًا في توليد نبضات أقل من 60 أتوثانية باستخدام مواد أثقل ذات عمر أقصر، مثل التنغستن أو الهافنيوم. إن نبضات الأشعة السينية الجديدة هذه سريعة بما يكفي لتمكين العلماء في النهاية من الإجابة على أسئلة مثل كيفية تحرك سحابة الإلكترون بالضبط وما هي الرابطة الكيميائية في الواقع.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: أوي بيرجمان، جامعة ويسكونسن ماديسون و توماس لينكر، جامعة ستانفورد
اقرأ المزيد:
يتلقى أوفي بيرجمان تمويلًا من وزارة الطاقة وعمل سابقًا في SLAC ومختبر لورانس بيركلي الوطني.
يتلقى توماس لينكر تمويلًا من وزارة الطاقة ويعمل في مختبر التسريع الوطني SLAC.