إلقاء الضوء على أسرار المادة: ثورة الأتو ثانية الحائزة على جائزة نوبل في الفيزياء
في عام 2023، حصل ثلاثة من الباحثين الرائدين، آن لولييه، وبيير أغوستيني، وفيرينك كراوس، على جائزة نوبل في الفيزياء لعملهم الرائد في مجال فيزياء الأتو ثانية. ومن خلال تجاربهم، ابتكر الفائزون هذا العام ومضات من الضوء قصيرة بما يكفي لالتقاط لقطات لحركات الإلكترونات السريعة للغاية. اكتشفت آن لويلير تأثيرًا جديدًا من تفاعل ضوء الليزر مع الذرات الموجودة في الغاز. أظهر بيير أغوستيني وفيرينك كراوسز أنه يمكن استخدام هذا التأثير لإنشاء نبضات ضوئية أقصر مما كان ممكنًا في السابق. إن نهجهم المبتكر، الذي يتضمن إضاءة الجزيئات بومضات من الضوء تبلغ مدتها أتو ثانية، قد بشر بعصر جديد من الاكتشافات العلمية، مما أدى إلى تغيير جذري في الطريقة التي يدرس بها العلماء الإلكترون ويقدم رؤى عميقة حول طبيعة المادة.
ولكن ما هو بالضبط الأتو ثانية، وكيف يمكن لهذه النبضات الضوئية القصيرة للغاية أن تحدث ثورة في فهمنا لبنات البناء الأساسية للكون؟
فهم مصطلح الأتو ثانية
الأتو ثانية هي وحدة زمنية قصيرة جدًا، تعادل جزءًا من كوينتيليون (10^-18) من الثانية. ولوضع هذا في الاعتبار، فإن الأتو ثانية تعادل الثانية من عمر الكون أي حوالي ثانية واحدة من 31.71 مليار سنة. توجد مثل هذه اللحظات العابرة في أقصى نهاية الطيف الزمني، وكان فهم العمليات التي تحدث في هذا النطاق الزمني ومعالجتها منذ فترة طويلة حلمًا للفيزيائيين.
قبل ظهور أبحاث الأتو ثانية، استخدم العلماء في المقام الأول نبضات ضوء الفيمتو ثانية (10^-15) لدراسة حركة النوى الذرية. ومن الجدير بالذكر أن الفمتو ثانية الواحدة تحتوي على ألف أتو ثانية. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بفحص سلوك الإلكترونات، التي تتحرك بسرعات فائقة، فشلت نبضات الفيمتو ثانية في التقاط تعقيدات حركتها.
نبضات الأتو ثانية الرائدة
تلعب الإلكترونات، التي تنظم إعادة ترتيب الذرات والجزيئات، دورًا محوريًا في العديد من العمليات الفيزيائية والكيميائية. لفهم هذه العمليات، يستخدم العلماء التحليل الطيفي، وهي تقنية تبحث في كيفية تفاعل المادة مع الضوء. لدراسة سلوك الإلكترون في الوقت الحقيقي، احتاج الباحثون إلى نبضات ضوئية أقصر من الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات لإعادة ترتيب نفسها.
تخيل أن الكاميرا قادرة على التقاط صور بسرعة ثانية واحدة فقط. الأجسام المتحركة، مثل شخص راكض أو طائر يحلق، قد تبدو غير واضحة في الصور. وينطبق نفس المبدأ على دراسة الإلكترونات باستخدام نبضات الفيمتو ثانية. ومع ذلك، من خلال استخدام نبضات الأتو ثانية، على غرار التبديل إلى كاميرا ذات سرعة لقطات تبلغ 1 مللي ثانية، يمكن للباحثين التقاط لقطات صور واضحة ودقيقة لسلوك الإلكترون. يسلط هذا التحول من الفيمتو ثانية إلى الأتو ثانية الضوء على عالم الإلكترونات المعقد.
عندما يخترق شعاع الليزر غازًا ويتفاعل مع الذرات المكونة له، تتكشف سلسلة رائعة من الأحداث. وفي قلب هذه الرقصة المعقدة يكمن تحول ضوء الليزر إلى سلسلة من الاهتزازات الكهرومغناطيسية، والتي تؤثر بدورها على التوازن الدقيق للمجالات الكهربائية التي تحمل الإلكترونات في مداراتها حول النواة الذرية.
وعندما يتخلل ضوء الليزر الغاز، فإنه يحفز هذه الاهتزازات الكهرومغناطيسية، مما يؤدي إلى تشويه مؤقت للمجال الكهربائي المحيط بالذرة. وهذا الاضطراب كبير بما يكفي لتمكين بعض الإلكترونات من التحرر من حدودها الذرية. ومع ذلك، فإن القصة لا تنتهي عند هذا الحد، إذ تجد الإلكترونات المحررة نفسها عالقة في معضلة رائعة.
يستمر المجال الكهربائي لضوء الليزر في التذبذب بشكل مستمر، وخلال هذا التذبذب، يتغير اتجاهه بشكل دوري. عندما يحدث هذا، قد يشعر الإلكترون المتحرر بسحب قوي نحو نواة الذرة الأم. أثناء إقامته القصيرة بعيدًا عن النواة، يمتص الإلكترون كميات وفيرة من الطاقة من المجال الكهربائي المتذبذب لضوء الليزر.
والآن، بما أن الإلكترون مجبر على العودة إلى نواة ذرته، فيجب عليه تفريغ الطاقة الزائدة التي جمعها خلال استقلاله العابر. ونتيجة إطلاق الطاقة هذا هو ظهور انفجار قصير ولكن مكثف من الضوء – نبضة من الضوء. تؤدي نبضات الضوء هذه، الناتجة عن عودة الإلكترونات النشطة إلى نواتها، إلى ظهور ظاهرة مثيرة للاهتمام تُعرف باسم النغمات الفوقية في التجارب التي تتضمن الليزر والغازات.
في هذا التفاعل المذهل بين ضوء الليزر والمكونات الذرية، نشهد مشهدًا آسرًا لتحولات الطاقة والتذبذبات والانبعاثات – وهي شهادة على عالم فيزياء الكم المثير للاهتمام والطرق التي تتفاعل بها المادة والضوء بطرق معقدة وجميلة.
إمكانات بحث الأتو ثانية المذهلة
يعد الإلكترون مكونًا أساسيًا للمادة، ويلعب دورًا حاسمًا في التفاعلات الكيميائية والإلكترونيات وظواهر أخرى لا حصر لها. ومع ذلك، ظل سلوكها موضوعًا للتدقيق والنقاش المكثف في المجتمع العلمي. يكمن مفتاح فهم تصرفات الإلكترون في حركاته السريعة وغير المنتظمة بشكل لا يصدق، والتي تحدث ضمن نطاقات زمنية تبلغ الأتو ثانية.
تعمل نبضات الأتو ثانية من الضوء بمثابة “إنارة قوية” للعالم الكمي، مما يمكّن الباحثين من التقاط لقطات لمسار الإلكترون وسلوكه داخل الذرات والجزيئات. يسمح هذا الإنجاز للعلماء بمراقبة حركة الإلكترون، من مواقعه الأولية في الذرة إلى مساراته أثناء التفاعلات الكيميائية.
تمتد تطبيقات فيزياء الأتو ثانية إلى ما هو أبعد من الفضول النظري. ولها آثار عملية في مجالات مختلفة:
الكيمياء: يوفر علم الأتو ثانية فهمًا أعمق للتفاعلات الكيميائية على المستوى الذري والجزيئي. يمكن للباحثين تتبع الحركات فائقة السرعة للإلكترونات المشاركة في هذه التفاعلات، مما يؤدي إلى تطوير محفزات أكثر كفاءة ومواد جديدة.
الإلكترونيات: تتيح فيزياء الأتو ثانية التحكم في سلوك الإلكترون في أشباه الموصلات ويمكن أن تؤدي إلى تطوير أجهزة إلكترونية أسرع وأكثر كفاءة، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر من الجيل التالي وحلول تخزين البيانات.
التصوير الطبي: يمكن لتقنية الأتو ثانية تحسين تقنيات التصوير مثل الفحص المجهري الإلكتروني، مما يسمح للعلماء بتصور العمليات البيولوجية بوضوح وتفاصيل غير مسبوقة.
ميكانيكا الكم: ترتبط دراسة ظواهر الأتو ثانية ارتباطًا وثيقًا بعالم ميكانيكا الكم، مما يوفر رؤى حول السلوك الغامض وغير البديهي للجسيمات دون الذرية.
ختاماً، تمثل جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023، التي مُنحت لثلاثة باحثين رائدين، لحظة فاصلة في الاستكشاف العلمي. لقد فتحت أبحاث الأتو ثانية نافذة على عالم سلوك الإلكترون الذي لم يكن محسوسًا في السابق، وسلطت الضوء على أسرار المادة في مستواها الأساسي. ومع تعمق فهمنا للأتو ثانية، يمكننا أن نتوقع المزيد من الإنجازات التي ستعيد تشكيل فهمنا لبنات بناء الكون وتمهيد الطريق للابتكارات التكنولوجية في المستقبل.
المصدر: www.nobelprize.org
theconversation.com
الصور من عمل: rawpixel.com on Freepik
