في إعلان تاريخي مساء يوم 3 أكتوبر 2023، تم الكشف عن جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023، تقديراً للمساهمات البارزة لثلاثة علماء لعبوا أدواراً محورية كرواد في مجال تكنولوجيا الليزر الأتوثانية.

يُستمد مصطلح "ليزر الأتوثانية" اسمه من النطاق الزمني القصير للغاية الذي يعمل فيه، وتحديدًا في حدود الأتوثانية، أي ما يعادل 10^-18 ثانية. لفهم الأهمية البالغة لهذه التقنية، من الضروري فهم معنى الأتوثانية فهمًا أساسيًا. الأتوثانية وحدة زمنية متناهية الصغر، تُشكل جزءًا من مليار جزء من مليار جزء من الثانية ضمن سياق الثانية الكاملة. ولتوضيح ذلك، إذا شبّهنا الثانية بجبل شاهق، فإن الأتوثانية تُشبه حبة رمل صغيرة تقع عند سفح الجبل. في هذه الفترة الزمنية القصيرة جدًا، بالكاد يستطيع الضوء قطع مسافة تُعادل حجم ذرة واحدة. من خلال استخدام أشعة الليزر الأتوثانية، يكتسب العلماء قدرة غير مسبوقة على فحص ومعالجة الديناميكيات المعقدة للإلكترونات داخل الهياكل الذرية، على غرار إعادة تشغيل بطيئة إطارًا بإطار في تسلسل سينمائي، وبالتالي التعمق في تفاعلها.

ليزرات الأتوثانيةتمثل هذه التقنية تتويجاً لأبحاث مكثفة وجهود متضافرة من قبل العلماء، الذين وظفوا مبادئ البصريات غير الخطية لصنع ليزرات فائقة السرعة. وقد وفر لنا ظهورها منظوراً مبتكراً لمراقبة واستكشاف العمليات الديناميكية التي تحدث داخل الذرات والجزيئات، وحتى الإلكترونات في المواد الصلبة.

لفهم طبيعة ليزرات الأتوثانية وتقدير خصائصها غير التقليدية مقارنةً بالليزر التقليدي، من الضروري استكشاف تصنيفها ضمن عائلة الليزر الأوسع. يُصنف ليزر الأتوثانية حسب الطول الموجي، حيث يقع في الغالب ضمن نطاق الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة السينية اللينة، مما يدل على أطوال موجية أقصر بشكل ملحوظ مقارنةً بالليزر التقليدي. أما من حيث أنماط الإخراج، فيُصنف ليزر الأتوثانية ضمن فئة الليزر النبضي، الذي يتميز بفترات نبضية قصيرة للغاية. ولتوضيح ذلك، يمكن تشبيه ليزر الموجة المستمرة بمصباح يدوي يُصدر شعاعًا ضوئيًا مستمرًا، بينما يُشبه الليزر النبضي ضوءًا وامضًا، يتناوب بسرعة بين فترات الإضاءة والظلام. باختصار، يُظهر ليزر الأتوثانية سلوكًا نابضًا بين فترتي الإضاءة والظلام، إلا أن انتقاله بين هاتين الحالتين يحدث بتردد مذهل، يصل إلى نطاق الأتوثانية.

يُصنّف الليزر، بحسب قدرته، إلى فئات منخفضة ومتوسطة وعالية القدرة. ويحقق ليزر الأتوثانية قدرة ذروة عالية نظرًا لقصر مدة نبضاته، مما ينتج عنه قدرة ذروة بارزة (P) تُعرَّف بأنها شدة الطاقة لكل وحدة زمنية (P=W/t). ورغم أن نبضات ليزر الأتوثانية الفردية قد لا تمتلك طاقة كبيرة جدًا (W)، إلا أن مدتها الزمنية القصيرة (t) تمنحها قدرة ذروة عالية.

من حيث مجالات التطبيق، تغطي الليزرات طيفاً واسعاً يشمل التطبيقات الصناعية والطبية والعلمية. وتجد ليزرات الأتوثانية مكانتها الأساسية في مجال البحث العلمي، لا سيما في استكشاف الظواهر سريعة التطور في مجالي الفيزياء والكيمياء، مما يتيح لنا نافذة على العمليات الديناميكية السريعة في العالم الميكروسكوبي.

يُصنّف الليزر حسب وسطه إلى ليزر غازي، وليزر الحالة الصلبة، وليزر سائل، وليزر أشباه الموصلات. ويعتمد توليد ليزرات الأتوثانية عادةً على أوساط الليزر الغازية، مستفيدًا من التأثيرات البصرية غير الخطية لتوليد التوافقيات عالية الرتبة.

باختصار، تُشكّل ليزرات الأتوثانية فئةً فريدةً من ليزرات النبضات القصيرة، تتميّز بفترات نبضاتها القصيرة للغاية، والتي تُقاس عادةً بالأتوثانية. ونتيجةً لذلك، أصبحت أدواتٍ لا غنى عنها لمراقبة العمليات الديناميكية فائقة السرعة للإلكترونات داخل الذرات والجزيئات والمواد الصلبة والتحكم بها.

العملية المعقدة لتوليد ليزر الأتوثانية

تتبوأ تقنية ليزر الأتوثانية مكانة رائدة في مجال الابتكار العلمي، إذ تتطلب مجموعة من الشروط الدقيقة والمثيرة للاهتمام لتوليدها. ولتوضيح تعقيدات توليد ليزر الأتوثانية، نبدأ بعرض موجز لمبادئها الأساسية، متبوعًا باستعارات بليغة مستمدة من التجارب اليومية. ولا داعي للقلق بالنسبة للقراء غير الملمين بتفاصيل الفيزياء ذات الصلة، إذ تهدف الاستعارات اللاحقة إلى تبسيط فهم الفيزياء الأساسية لليزر الأتوثانية.

تعتمد عملية توليد ليزرات الأتوثانية بشكل أساسي على تقنية توليد التوافقيات العالية (HHG). في البداية، يتم تركيز حزمة من نبضات ليزرية عالية الكثافة من نوع الفيمتو ثانية (10^-15 ثانية) بدقة عالية على مادة غازية مستهدفة. ومن الجدير بالذكر أن ليزرات الفيمتو ثانية، المشابهة لليزر الأتوثانية، تشترك معها في خصائص قصر مدة النبضات وارتفاع القدرة القصوى. تحت تأثير مجال الليزر المكثف، تتحرر الإلكترونات داخل ذرات الغاز مؤقتًا من أنويتها الذرية، وتدخل بشكل عابر في حالة إلكترونات حرة. ومع تذبذب هذه الإلكترونات استجابةً لمجال الليزر، تعود في النهاية إلى أنويتها الذرية الأصلية وتتحد معها، مما يُنشئ حالات طاقة عالية جديدة.

خلال هذه العملية، تتحرك الإلكترونات بسرعات عالية للغاية، وعند إعادة تركيبها مع النوى الذرية، فإنها تطلق طاقة إضافية على شكل انبعاثات توافقية عالية، تتجلى في صورة فوتونات عالية الطاقة.

تُعدّ ترددات هذه الفوتونات عالية الطاقة المُولّدة حديثًا مضاعفات صحيحة لتردد الليزر الأصلي، مُشكّلةً ما يُسمى بالتوافقيات العليا، حيث تُشير "التوافقيات" إلى الترددات التي تُشكّل مضاعفات صحيحة للتردد الأصلي. وللحصول على ليزرات أتوثانية، يصبح من الضروري ترشيح هذه التوافقيات العليا وتركيزها، وذلك باختيار توافقيات مُحدّدة وتركيزها في نقطة بؤرية. وإذا رُغِبَ في ذلك، يُمكن لتقنيات ضغط النبضات تقصير مدة النبضة بشكلٍ أكبر، مما يُنتج نبضات فائقة القصر في نطاق الأتوثانية. من الواضح أن توليد ليزرات الأتوثانية يُمثّل عملية مُعقّدة ومتعددة الجوانب، تتطلّب مستوى عالٍ من البراعة التقنية ومعدات مُتخصّصة.

لتبسيط هذه العملية المعقدة، نقدم تشبيهاً مجازياً قائماً على سيناريوهات الحياة اليومية:

نبضات ليزر الفيمتو ثانية عالية الكثافة:

تخيل امتلاك مقلاع قوي بشكل استثنائي قادر على قذف الحجارة على الفور بسرعات هائلة، على غرار الدور الذي تلعبه نبضات الليزر الفيمتوثانية عالية الكثافة.

مادة الهدف الغازية:

تخيّل مسطحًا مائيًا هادئًا يرمز إلى المادة الغازية المستهدفة، حيث تمثل كل قطرة ماء عددًا لا يحصى من ذرات الغاز. وبالمثل، فإن عملية قذف الحجارة في هذا المسطح المائي تحاكي تأثير نبضات الليزر الفيمتوثانية عالية الكثافة على المادة الغازية المستهدفة.

حركة الإلكترون وإعادة التركيب (يُطلق عليها فيزيائياً اسم الانتقال):

عندما تصطدم نبضات ليزر الفيمتو ثانية بذرات الغاز داخل المادة المستهدفة الغازية، يُثار عدد كبير من الإلكترونات الخارجية مؤقتًا إلى حالة تنفصل فيها عن أنوية ذراتها، مُشكّلةً حالة شبيهة بالبلازما. ومع انخفاض طاقة النظام لاحقًا (نظرًا لأن نبضات الليزر بطبيعتها نبضية، وتتضمن فترات توقف)، تعود هذه الإلكترونات الخارجية إلى جوار أنوية الذرات، مُطلقةً فوتونات عالية الطاقة.

توليد التوافقيات العالية:

تخيل أن كل قطرة ماء تسقط على سطح البحيرة تُحدث تموجات، تمامًا مثل التوافقيات العالية في ليزرات الأتوثانية. تتميز هذه التموجات بترددات وسعات أعلى من التموجات الأصلية الناتجة عن نبضة ليزر الفيمتو ثانية الأساسية. خلال عملية توليد التوافقيات العالية، يُسلط شعاع ليزر قوي، أشبه برمي الحجارة باستمرار، على هدف غازي يُحاكي سطح البحيرة. يدفع هذا المجال الليزري المكثف الإلكترونات في الغاز، على غرار التموجات، بعيدًا عن ذراتها الأصلية ثم يعيدها إليها. في كل مرة يعود فيها إلكترون إلى الذرة، يُصدر شعاع ليزر جديدًا بتردد أعلى، يُشبه أنماط تموجات أكثر تعقيدًا.

الترشيح والتركيز:

يؤدي دمج جميع أشعة الليزر المُولَّدة حديثًا إلى طيف من الألوان (الترددات أو الأطوال الموجية) المختلفة، والتي يُشكِّل بعضها ليزر الأتوثانية. ولعزل أحجام وترددات تموجات مُحدَّدة، يُمكن استخدام مُرشِّح مُخصَّص، كما هو الحال عند اختيار التموجات المطلوبة، واستخدام عدسة مُكبِّرة لتركيزها على منطقة مُحدَّدة.

ضغط النبض (إذا لزم الأمر):

إذا كنت ترغب في تسريع انتشار التموجات وتقليل مدتها، يمكنك تسريع انتشارها باستخدام جهاز متخصص، مما يقلل من مدة كل تموج. ينطوي توليد ليزرات الأتوثانية على تفاعل معقد بين العمليات. ومع ذلك، عند تحليلها وتصورها، تصبح أكثر وضوحًا.