في إعلان مهم 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.

يُشتق مصطلح "ليزر الأتوثانية" من النطاق الزمني القصير للغاية الذي يعمل عليه، وتحديدًا بوحدات الأتوثانية، أي ما يعادل 10^-18 ثانية. ولإدراك الأهمية العميقة لهذه التقنية، من الضروري فهم معنى الأتوثانية فهمًا أساسيًا. فالأتوثانية وحدة زمنية بالغة الدقة، تُشكل جزءًا من مليار من مليار من الثانية ضمن السياق الأوسع للثانية الواحدة. ولتوضيح ذلك، إذا شبّهنا الثانية بجبل شاهق، فإن الأتوثانية تُشبه حبة رمل واحدة تستقر عند قاعدة الجبل. في هذا الفاصل الزمني العابر، حتى الضوء بالكاد يقطع مسافة تُعادل حجم ذرة واحدة. ومن خلال استخدام ليزر الأتوثانية، اكتسب العلماء القدرة غير المسبوقة على التدقيق والتلاعب بالديناميكيات المعقدة للإلكترونات داخل الهياكل الذرية، على غرار إعادة عرض الحركة البطيئة إطارًا تلو الآخر في تسلسل سينمائي، وبالتالي التعمق في تفاعلها.

ليزر الأتوثانيةتُمثل هذه الاكتشافات تتويجًا لأبحاث مكثفة وجهود متضافرة بذلها علماء سخّروا مبادئ البصريات غير الخطية لابتكار ليزرات فائقة السرعة. وقد وفّر لنا ظهورها منظورًا مبتكرًا لرصد واستكشاف العمليات الديناميكية التي تجري داخل الذرات والجزيئات، وحتى الإلكترونات في المواد الصلبة.

لتوضيح طبيعة ليزرات الأتوثانية وتقدير خصائصها غير التقليدية مقارنةً بالليزرات التقليدية، من الضروري استكشاف تصنيفها ضمن "عائلة الليزر" الأوسع. يضع التصنيف حسب الطول الموجي ليزرات الأتوثانية في الغالب ضمن نطاق ترددات الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة السينية الناعمة، مما يدل على أطوال موجية أقصر بشكل ملحوظ مقارنةً بالليزرات التقليدية. من حيث أنماط الإخراج، تندرج ليزرات الأتوثانية ضمن فئة الليزرات النبضية، التي تتميز بفترات نبضاتها القصيرة للغاية. ولتوضيح ذلك، يمكن للمرء أن يتخيل ليزرات الموجة المستمرة كضوء يدوي يُصدر شعاعًا مستمرًا من الضوء، بينما تشبه الليزرات النبضية ضوءًا وامضًا، يتناوب بسرعة بين فترات الإضاءة والظلام. في جوهرها، تُظهر ليزرات الأتوثانية سلوكًا نبضيًا في الإضاءة والظلام، إلا أن انتقالها بين الحالتين يتم بتردد مذهل يصل إلى نطاق الأتوثانية.

يُصنّف تصنيف الليزر حسب الطاقة إلى فئات: منخفضة الطاقة، ومتوسطة الطاقة، وعالية الطاقة. تُحقق ليزرات الأتوثانية طاقة ذروة عالية بفضل فترات نبضاتها القصيرة للغاية، مما يُنتج طاقة ذروة واضحة (P) - تُعرّف بأنها شدة الطاقة لكل وحدة زمنية (P=W/t). على الرغم من أن نبضات ليزر الأتوثانية الفردية قد لا تمتلك طاقة كبيرة (W)، إلا أن مداها الزمني المُختصر (t) يمنحها طاقة ذروة مرتفعة.

من حيث مجالات التطبيق، تغطي أشعة الليزر طيفًا واسعًا يشمل التطبيقات الصناعية والطبية والعلمية. وتحتل ليزرات الأتوثانية مكانتها الرئيسية في مجال البحث العلمي، لا سيما في استكشاف الظواهر سريعة التطور في مجالات الفيزياء والكيمياء، مما يتيح نافذة على العمليات الديناميكية السريعة في عالمنا المجهري.

يُصنّف الليزر حسب وسطه إلى ليزرات غازية، وليزرات الحالة الصلبة، وليزرات سائلة، وليزرات أشباه الموصلات. يعتمد توليد ليزرات الأتوثانية عادةً على وسائط ليزر الغاز، مستفيدًا من التأثيرات البصرية غير الخطية لتوليد توافقيات عالية المستوى.

باختصار، تُشكل ليزرات الأتوثانية فئة فريدة من ليزرات النبضات القصيرة، تتميز بفترات نبضاتها القصيرة للغاية، والتي تُقاس عادةً بالأتوثانية. ونتيجةً لذلك، أصبحت أدواتٍ لا غنى عنها لرصد العمليات الديناميكية فائقة السرعة للإلكترونات داخل الذرات والجزيئات والمواد الصلبة والتحكم فيها.

العملية المعقدة لتوليد ليزر الأتوثانية

تُعد تقنية ليزر الأتوثانية في طليعة الابتكار العلمي، إذ تتميز بمجموعة من الشروط الدقيقة والمثيرة للاهتمام لتوليدها. ولتوضيح تعقيدات توليد ليزر الأتوثانية، نبدأ بعرض موجز لمبادئها الأساسية، متبوعًا باستعارات حية مستمدة من تجارب يومية. ولا داعي لليأس بالنسبة للقراء غير المطلعين على تعقيدات الفيزياء ذات الصلة، إذ تهدف الاستعارات التالية إلى توضيح الفيزياء الأساسية لليزر الأتوثانية.

تعتمد عملية توليد ليزرات الأتوثانية بشكل أساسي على تقنية تُعرف باسم توليد التوافقيات العالية (HHG). أولًا، يُركز شعاع من نبضات ليزر فيمتوثانية عالية الكثافة (10^-15 ثانية) بإحكام على مادة غازية مستهدفة. تجدر الإشارة إلى أن ليزرات الفيمتوثانية، المشابهة لأشعة ليزر الأتوثانية، تشترك في خصائص قصر مدة النبضات وقوة الذروة العالية. تحت تأثير مجال الليزر المكثف، تتحرر الإلكترونات داخل ذرات الغاز مؤقتًا من أنويتها الذرية، وتدخل مؤقتًا في حالة الإلكترونات الحرة. عندما تتذبذب هذه الإلكترونات استجابةً لمجال الليزر، تعود في النهاية إلى أنويتها الذرية الأم وتتحد معها، مما يُنشئ حالات جديدة عالية الطاقة.

أثناء هذه العملية، تتحرك الإلكترونات بسرعات عالية للغاية، وعند إعادة اتحادها مع النوى الذرية، تطلق طاقة إضافية في شكل انبعاثات توافقية عالية، تتجلى في شكل فوتونات عالية الطاقة.

ترددات هذه الفوتونات عالية الطاقة المُولّدة حديثًا هي مضاعفات صحيحة لتردد الليزر الأصلي، مُشكّلةً ما يُسمى بالتوافقيات عالية الرتبة، حيث تُشير "التوافقيات" إلى ترددات تُمثّل مضاعفات صحيحة للتردد الأصلي. وللحصول على ليزرات الأتوثانية، يلزم ترشيح هذه التوافقيات عالية الرتبة وتركيزها، باختيار توافقيات مُحدّدة وتركيزها في نقطة محورية. وإذا رغبت، يُمكن لتقنيات ضغط النبضات أن تُقلّص مدة النبضة بشكل أكبر، مما يُنتج نبضات فائقة القصر في نطاق الأتوثانية. من الواضح أن إنتاج ليزرات الأتوثانية عملية مُعقدة ومتعددة الأوجه، وتتطلب براعة تقنية عالية ومعدات مُتخصصة.

ولكشف غموض هذه العملية المعقدة، نقدم مثالاً مجازيًا موازيًا مستوحى من السيناريوهات اليومية:

نبضات ليزر الفيمتوثانية عالية الكثافة:

تخيل أنك تمتلك مقلاعًا قويًا للغاية قادرًا على رمي 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 تُمثّل كل قطرة ماء عددًا لا يُحصى من ذرات الغاز. يُحاكي دفع الحجارة إلى هذا المسطح المائي تأثير نبضات ليزر الفيمتوثانية عالية الكثافة على المادة الغازية المستهدفة.

حركة الإلكترون وإعادة تركيبه (ما يسمى فيزيائيًا بالانتقال):

عندما تصطدم نبضات ليزر الفيمتوثانية بذرات الغاز داخل المادة الغازية المستهدفة، يُثار عدد كبير من الإلكترونات الخارجية لحظيًا إلى حالة تنفصل فيها عن أنويتها الذرية، مُشكلةً حالة شبيهة بالبلازما. ومع انخفاض طاقة النظام لاحقًا (لأن نبضات الليزر نبضية بطبيعتها، وتتميز بفترات توقف)، تعود هذه الإلكترونات الخارجية إلى جوارها من أنوية الذرات، مُطلقةً فوتونات عالية الطاقة.

توليد التوافقيات العالية:

تخيل أنه في كل مرة تسقط فيها قطرة ماء على سطح البحيرة، تُحدث تموجات، تُشبه إلى حد كبير التوافقيات العالية في ليزرات الأتوثانية. تتميز هذه التموجات بترددات وسعات أعلى من التموجات الأصلية الناتجة عن نبضة ليزر الفيمتوثانية الأساسية. أثناء عملية التوليد الحراري عالي الكثافة (HHG)، يُضيء شعاع ليزر قوي، يُشبه قذف الحجارة باستمرار، هدفًا غازيًا يُشبه سطح البحيرة. يدفع هذا المجال الليزري المكثف الإلكترونات الموجودة في الغاز، على غرار التموجات، بعيدًا عن ذراتها الأصلية ثم يسحبها. في كل مرة يعود فيها إلكترون إلى الذرة، يُصدر شعاع ليزر جديدًا بتردد أعلى، يُشبه أنماط تموج أكثر تعقيدًا.

التصفية والتركيز:

يُنتج دمج جميع أشعة الليزر المُولَّدة حديثًا طيفًا من ألوان مُختلفة (ترددات أو أطوال موجية)، بعضها يُشكِّل ليزر الأتوثانية. لعزل أحجام وترددات تموجات مُحددة، يُمكن استخدام مُرشِّح مُتخصص، يُشبه اختيار التموجات المطلوبة، ثم استخدام عدسة مُكبِّرة لتركيزها على منطقة مُحددة.

ضغط النبض (إذا لزم الأمر):

إذا كنت تهدف إلى نشر التموجات بشكل أسرع وأقصر، يمكنك تسريع انتشارها باستخدام جهاز متخصص، مما يقلل من مدة كل تموجة. يتضمن توليد ليزرات الأتوثانية تفاعلًا معقدًا من العمليات. ومع ذلك، عند تحليلها وتصورها، تصبح أكثر وضوحًا.