«كاميرا فائقة السرعة» صُنعت لرصد حركة الإلكترونات

نجح العلماء، عبر دمج نبضتين ليزريتين فائقتي القصر تلتقيان من اتجاهين مختلفين، في إنشاء حقول ضوئية ثلاثية الأبعاد.

وبحسب تقرير السفير أرجان نقلاً عن مقر النانو، فإن هذه الطريقة لا توفر للفيزيائيين أداة جديدة لدراسة تفاعل الضوء والمادة فحسب، بل يمكنها أيضًا فتح مسارات جديدة لتحديد الهياكل اللولبية والتحكم بدقة في الحالات الكمومية للإلكترونات.

تم إجراء هذا البحث تحت إشراف البروفيسور ماتياس فولنهاوبت (Matthias Wollenhaupt) من جامعة أولدنبورغ ونشرت نتائجه في المجلة العلمية Physical Review Research في مقال بعنوان "التأين المتعدد الفوتونات مع المجالات الضوئية ثلاثية الأبعاد".

تعتمد الفكرة الرئيسية للبحث على استخدام نبضتين ليزر قصيرتين جداً. تدوم هذه النبضات بضعة أجزاء فقط من المليون من المليار من الثانية وتصنف على أنها نبضات ليزر الفيمتو ثانية. ومن خلال تشكيل هذه النبضات بشكل خاص واستخدام شعاعي ليزر بألوان مختلفة، تداخل الباحثون مع بعضهم البعض في غرفة مفرغة بطريقة تشكل مجال ضوء ثلاثي الأبعاد عند نقطة التأثير.

في المجال البصري العادي، يمكن ملاحظة التغيرات في المجال في اتجاهات معينة؛ لكن في الطريقة الجديدة، يتأرجح المجال الناتج في الاتجاهات المكانية الثلاثة. تتيح هذه الميزة للباحثين ضبط شكل وخصائص مجال الضوء بشكل أكثر دقة واستخدامه لمعالجة تفاعلات محددة بين الضوء والمادة.

يوضح داريوس كونكي، أحد المؤلفين الرئيسيين للورقة البحثية وطالب دكتوراه في مجموعة "الديناميكيات المتماسكة فائقة السرعة" في جامعة أولدنبورغ، أن تذبذب المجال في الاتجاهات المكانية الثلاثة يخلق فرصًا جديدة لاستكشاف والتحكم في تفاعلات محددة بين الضوء والمادة. ووفقا للباحثين، فإن إحدى أهم ميزات هذه الطريقة هي أنه مع مجالات الضوء ثلاثية الأبعاد، يمكن جلب الإلكترونات إلى حالات كمومية معينة كان من المستحيل في السابق خلقها في التجارب.

ولإثبات جدوى هذه الطريقة، أجرى الباحثون تجربتهم على ذرات البوتاسيوم. وباستخدام مجال ضوئي ثلاثي الأبعاد، قاموا بنقل إلكترونات هذه الذرات بشكل انتقائي إلى مستويات طاقة أعلى، تُعرف بالحالات المثارة، ثم فصلوها عن الذرة.

لكن أهمية التجربة لم تقتصر على خلق هذه الحالات المثارة. تمكن العلماء من ملاحظة التغيرات في حالة الإلكترونات في وقت واحد خلال فترات زمنية قصيرة جدًا. هذه الميزة جعلت الطريقة الجديدة تشبه نوعًا من "الكاميرا فائقة السرعة" لمراقبة العمليات الكمومية؛ وكأن العلماء قد سجلوا المراحل المتعاقبة لعملية سريعة جدًا باستخدام ومضات متتالية، ومن خلال تجميع هذه الصور معًا، قاموا بعمل فيلم لتطور حالات الإلكترون المختلفة.

موضحًا أهمية هذا الإنجاز، يقول وولينهاوبت إن هذه الطريقة تمكن من إنشاء حالات الكم الإلكترونية التي تم وصفها سابقًا من الناحية النظرية فقط. ومن ناحية أخرى، يمكن للباحثين الآن مراقبة هذه الحالات من وجهة نظر مكانية. وبهذه الطريقة، تم توسيع مجموعة الأدوات التجريبية للفيزيائيين لدراسة الضوء والمادة عن طريق إضافة نوع جديد من المجالات البصرية ثلاثية الأبعاد.

واحدة من التطبيقات المحتملة الأكثر إثارة للاهتمام لهذه التكنولوجيا هي دراسة الجزيئات اللولبية. جزيئات مهمة جدًا في علم الأحياء والطب. يمكن التفكير في الجزيء اللولبي في شكلين مختلفين يمثلان صورتين متطابقتين لبعضهما البعض، لكن لا يمكن مطابقتهما تمامًا؛ تمامًا مثل اليد اليسرى واليمنى للإنسان، التي تشبه بعضها البعض، ولكنها لا تتطابق مع بعضها البعض.

تم العثور على Chirality في العديد من الجزيئات البيولوجية، بما في ذلك الأحماض الأمينية والكربوهيدرات والمكونات الصيدلانية النشطة. الشيء المهم هو أن الشكلين المرآتين للجزيء ليس لهما بالضرورة نفس السلوك أو التأثير، وفي بعض الأحيان يمكن أن يكون للاختلاف بينهما عواقب مهمة جدًا على صحة الإنسان.

ومن الأمثلة المعروفة على ذلك الثاليدومايد. المادة الفعالة للدواء المستخدم في دواء الكونترجان. وارتبط أحد أشكال هذا الجزيء بحدوث تشوهات خلقية أثناء الحمل، بينما لم يكن للشكل الآخر مثل هذا التأثير الضار. يوضح هذا الاختلاف سبب أهمية التشخيص الدقيق والفصل بين الأشكال المختلفة للجزيئات اللولبية في العلوم الصيدلانية والطبية الحيوية.

ومع ذلك، ليس من السهل دائمًا تحديد وتمييز شكلي الصورة المرآة للجزيء. ولذلك، يأمل الباحثون أن تتمكن مجالات الضوء ثلاثية الأبعاد من خلق آفاق جديدة في مجال الكشف عن عدم التناظر الجزيئي.

يقول وولينهاوبت إن الدراسات النظرية أظهرت أن حقول الضوء ثلاثية الأبعاد نفسها يمكن أن يكون لها أيضًا خصائص مراوانية. تثير هذه الميزة إمكانية استخدام مثل هذه المجالات للتحقق من عدم تناظر الجزيئات والتحكم فيها بدقة أكبر؛ مجال يمكن أن يصبح مهمًا في المستقبل لدراسة الهياكل الجزيئية وتفاعلاتها المعقدة مع الضوء.

وقد لاحظت أولغا سميرنوفا، عالمة الفيزياء في معهد ماكس بورن للبصريات غير الخطية في برلين، أهمية هذا المسار البحثي. في مقال بعنوان "العصر الجديد من اللامركزية الجزيئية" نُشر في مجلة العلوم، ناقش قدرات مجالات الضوء ثلاثية الأبعاد للتحقيق في اللامركزية الجزيئية.

ويعتقد الباحثون في جامعة أولدنبورغ أن نتائج الدراسة الجديدة يمكن أن توفر إحدى القواعد التجريبية اللازمة لتطوير مثل هذه التطبيقات. من التحكم في الحالات الكمومية للإلكترونات إلى مراقبة تطورها بشكل مباشر وفحص الهياكل اللولبية، تقدم المجالات البصرية ثلاثية الأبعاد منظورًا جديدًا حول كيفية استخدام الضوء للتحكم في المادة على مقياس كمي.

يوضح هذا الإنجاز أخيرًا أن الضوء ليس الأداة الوحيدة لمراقبة العالم؛ ومن خلال تصميم المجالات الضوئية بعناية، يمكن أيضًا استخدامها كأداة لتشكيل سلوك الجسيمات والتحكم فيها على مقياس كمي.