في إعلان بالغ الأهمية، 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 ليزر الأتو ثانية.

يشتق مصطلح "ليزر الأتو ثانية" اسمه من النطاق الزمني القصير للغاية الذي يعمل عليه، وتحديدًا في ترتيب الأتو ثانية، الموافق 10^-18 ثانية. لفهم الأهمية العميقة لهذه التكنولوجيا، فإن الفهم الأساسي لما تعنيه الأتوثانية هو أمر بالغ الأهمية. الأتوثانية هي وحدة زمنية دقيقة للغاية، وتشكل جزءًا من مليار من مليار من الثانية ضمن السياق الأوسع للثانية الواحدة. لوضع هذا في منظوره الصحيح، إذا أردنا تشبيه الثانية بجبل شاهق، فإن الأتو ثانية ستكون أقرب إلى حبة رمل واحدة تقع في قاعدة الجبل. في هذه الفترة الزمنية العابرة، حتى الضوء بالكاد يمكنه اجتياز مسافة تعادل حجم الذرة الفردية. من خلال استخدام ليزر الأتو ثانية، يكتسب العلماء قدرة غير مسبوقة على فحص ومعالجة الديناميكيات المعقدة للإلكترونات داخل الهياكل الذرية، على غرار إعادة العرض البطيء إطارًا تلو الآخر في تسلسل سينمائي، وبالتالي التعمق في تفاعلها.

ليزر الأتو ثانيةتمثل تتويجا لأبحاث مكثفة وجهود متضافرة من قبل العلماء، الذين سخروا مبادئ البصريات غير الخطية لصياغة أشعة ليزر فائقة السرعة. لقد زودنا ظهورهم بنقطة نظر مبتكرة لرصد واستكشاف العمليات الديناميكية التي تحدث داخل الذرات والجزيئات وحتى الإلكترونات في المواد الصلبة.

لتوضيح طبيعة ليزر الأتو ثانية وتقدير خصائصها غير التقليدية مقارنة بالليزر التقليدي، من الضروري استكشاف تصنيفها ضمن "عائلة الليزر" الأوسع. التصنيف حسب الطول الموجي يضع ليزر الأتو ثانية في الغالب ضمن نطاق ترددات الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة السينية الناعمة، مما يدل على أطوال موجية أقصر بشكل ملحوظ على عكس الليزر التقليدي. فيما يتعلق بأوضاع الإخراج، تندرج ليزر الأتوثانية ضمن فئة الليزر النبضي، الذي يتميز بفترات نبض قصيرة للغاية. ولرسم تشبيه للوضوح، يمكن للمرء أن يتصور أشعة الليزر ذات الموجة المستمرة أقرب إلى مصباح يدوي ينبعث منه شعاع مستمر من الضوء، في حين أن الليزر النبضي يشبه ضوءًا قويًا، يتناوب بسرعة بين فترات الإضاءة والظلام. في جوهر الأمر، تظهر ليزرات الأتو ثانية سلوكًا نابضًا داخل الإضاءة والظلام، ومع ذلك فإن انتقالها بين الحالتين يظهر بتردد مذهل، يصل إلى عالم الأتو ثانية.

مزيد من التصنيف حسب الطاقة يضع الليزر في أقواس منخفضة الطاقة ومتوسطة الطاقة وعالية الطاقة. يحقق ليزر الأتو ثانية قدرة ذروة عالية بسبب فترات النبض القصيرة للغاية، مما يؤدي إلى قوة ذروة واضحة (P) - تُعرف بأنها كثافة الطاقة لكل وحدة زمنية (P=W/t). على الرغم من أن نبضات ليزر الأتو ثانية الفردية قد لا تمتلك طاقة كبيرة بشكل استثنائي (W)، إلا أن مداها الزمني المختصر (t) يضفي عليها قدرة ذروة مرتفعة.

من حيث مجالات التطبيق، يمتد الليزر على نطاق واسع يشمل التطبيقات الصناعية والطبية والعلمية. يجد ليزر الأتو ثانية في المقام الأول مكانته في مجال البحث العلمي، وخاصة في استكشاف الظواهر سريعة التطور في مجالات الفيزياء والكيمياء، مما يوفر نافذة على العمليات الديناميكية السريعة في العالم المصغر.

التصنيف حسب وسط الليزر يحدد الليزر على أنه ليزر غازي، وليزر الحالة الصلبة، وليزر سائل، وليزر أشباه الموصلات. يعتمد توليد ليزر الأتو ثانية عادةً على وسائط ليزر الغاز، مع الاستفادة من التأثيرات الضوئية غير الخطية لتوليد توافقيات عالية الترتيب.

باختصار، يشكل ليزر الأتو ثانية فئة فريدة من أشعة الليزر قصيرة النبض، تتميز بفترات نبض قصيرة للغاية، تقاس عادةً بالأتوثانية. ونتيجة لذلك، فقد أصبحت أدوات لا غنى عنها لمراقبة العمليات الديناميكية فائقة السرعة للإلكترونات داخل الذرات والجزيئات والمواد الصلبة والتحكم فيها.

العملية المتقنة لتوليد ليزر الأتوسيكوند

تقف تقنية ليزر أتوسيكوند في طليعة الابتكار العلمي، حيث تتميز بمجموعة صارمة ومثيرة للاهتمام من الشروط اللازمة لجيلها. لتوضيح تعقيدات توليد ليزر الأتو ثانية، نبدأ بعرض موجز لمبادئه الأساسية، تليها استعارات حية مستمدة من التجارب اليومية. لا يحتاج القراء غير المطلعين على تعقيدات الفيزياء ذات الصلة إلى اليأس، لأن الاستعارات التي تلت ذلك تهدف إلى جعل الفيزياء الأساسية لليزر الأتوثانية في متناول الجميع.

تعتمد عملية توليد ليزر الأتو ثانية بشكل أساسي على التقنية المعروفة باسم الجيل التوافقي العالي (HHG). أولاً، يتم تركيز شعاع من نبضات ليزر الفيمتو ثانية عالية الكثافة (10^-15 ثانية) بإحكام على مادة غازية مستهدفة. ومن الجدير بالذكر أن ليزر الفيمتو ثانية، المشابه لليزر الأتو ثانية، يشترك في خصائص امتلاك فترات نبضة قصيرة وقدرة ذروة عالية. تحت تأثير مجال الليزر المكثف، تتحرر الإلكترونات الموجودة في ذرات الغاز مؤقتًا من نواتها الذرية، وتدخل بشكل عابر في حالة من الإلكترونات الحرة. عندما تتأرجح هذه الإلكترونات استجابةً لمجال الليزر، فإنها تعود في النهاية إلى نواتها الذرية الأصلية وتتحد معها، مما يؤدي إلى خلق حالات جديدة عالية الطاقة.

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

ترددات هذه الفوتونات عالية الطاقة المولدة حديثًا هي مضاعفات صحيحة لتردد الليزر الأصلي، وتشكل ما يسمى التوافقيات عالية الترتيب، حيث تشير "التوافقيات" إلى الترددات التي تعد مضاعفات متكاملة للتردد الأصلي. للحصول على ليزر الأتو ثانية، يصبح من الضروري تصفية وتركيز هذه التوافقيات عالية الترتيب، واختيار توافقيات معينة وتركيزها في نقطة محورية. إذا رغبت في ذلك، يمكن لتقنيات ضغط النبض أن تختصر مدة النبضة، مما ينتج عنه نبضات قصيرة جدًا في نطاق الأتو ثانية. من الواضح أن توليد ليزر الأتو ثانية يشكل عملية معقدة ومتعددة الأوجه، وتتطلب درجة عالية من البراعة التقنية والمعدات المتخصصة.

ولإزالة الغموض عن هذه العملية المعقدة، نقدم تشبيهًا مجازيًا يرتكز على سيناريوهات يومية:

نبضات ليزر الفيمتو ثانية عالية الكثافة:

تصور امتلاك منجنيق قوي بشكل استثنائي قادر على قذف الحجارة على الفور بسرعات هائلة، على غرار الدور الذي تلعبه نبضات ليزر الفيمتو ثانية عالية الكثافة.

مادة الهدف الغازية:

تصور مسطحًا مائيًا هادئًا يرمز إلى المادة الغازية المستهدفة، حيث تمثل كل قطرة ماء عددًا لا يحصى من ذرات الغاز. إن عملية دفع الحجارة إلى هذا الجسم المائي تعكس بشكل مشابه تأثير نبضات ليزر الفيمتو ثانية عالية الكثافة على المادة الغازية المستهدفة.

حركة الإلكترون وإعادة التركيب (الانتقال المسمى فيزيائيا):

عندما تؤثر نبضات ليزر الفيمتو ثانية على ذرات الغاز داخل المادة الغازية المستهدفة، يتم تحفيز عدد كبير من الإلكترونات الخارجية مؤقتًا إلى حالة تنفصل فيها عن نواتها الذرية، وتشكل حالة تشبه البلازما. ومع انخفاض طاقة النظام لاحقًا (نظرًا لأن نبضات الليزر نابضة بطبيعتها، وتتميز بفترات توقف)، تعود هذه الإلكترونات الخارجية إلى جوارها من النوى الذرية، مطلقة فوتونات عالية الطاقة.

الجيل التوافقي العالي:

تخيل أنه في كل مرة تسقط فيها قطرة ماء على سطح البحيرة، فإنها تخلق تموجات، تشبه إلى حد كبير التوافقيات العالية في ليزر الأتوثانية. تتمتع هذه التموجات بترددات وسعة أعلى من التموجات الأصلية الناتجة عن نبضة ليزر الفيمتو ثانية الأولية. أثناء عملية HHG، يضيء شعاع ليزر قوي، يشبه رمي الحجارة بشكل مستمر، هدفًا غازيًا، يشبه سطح البحيرة. يقوم مجال الليزر المكثف هذا بدفع الإلكترونات الموجودة في الغاز، بشكل مشابه للتموجات، بعيدًا عن ذراتها الأصلية ثم يسحبها مرة أخرى. في كل مرة يعود فيها الإلكترون إلى الذرة، فإنه يصدر شعاع ليزر جديدًا بتردد أعلى، يشبه أنماط التموجات الأكثر تعقيدًا.

التصفية والتركيز:

يؤدي الجمع بين جميع أشعة الليزر المولدة حديثًا إلى إنتاج طيف من الألوان المختلفة (الترددات أو الأطوال الموجية)، والتي يشكل بعضها ليزر الأتو ثانية. لعزل أحجام وترددات تموجات معينة، يمكنك استخدام مرشح متخصص، يشبه اختيار التموجات المرغوبة، واستخدام عدسة مكبرة لتركيزها على منطقة معينة.

ضغط النبض (إذا لزم الأمر):

إذا كنت تهدف إلى نشر التموجات بشكل أسرع وأقصر، فيمكنك تسريع انتشارها باستخدام جهاز متخصص، مما يقلل من الوقت الذي تستغرقه كل تموج. يتضمن توليد ليزر الأتو ثانية تفاعلًا معقدًا بين العمليات. ومع ذلك، عندما يتم تقسيمها وتصورها، تصبح أكثر قابلية للفهم.