ليزر الأتوثانية

ضبط الوتر على النغمة الصحيحة: تُضبط نبضة الليزر بحيث تتوافق التوافقيات على ترددات كيلو إلكترون فولت. الضوء الذي نراه يهتز بمعدل مئات التريليونات من المرات في الثانية. إذا أخذنا نبضة ليزر قصيرة جداً ووجهناها نحو غاز، فإن ذرات الغاز تبدأ بإعادة إصدار الضوء عند ترددات مضاعفة، مثل وتر يصدر بعد نقرته النغمة الأساسية بالإضافة إلى النغمات التوافقية.

ينفخ الحدّاد في منفاخه، فيتحول تيار الهواء البطيء إلى نفثة حادة قادرة على إشعال اللهب. وبطريقة مماثلة، يتعامل الفيزيائيون مع الضوء: يأخذون نبضة ليزر طويلة ويضغطونها إلى وميض قصير قوي. في العمل الجديد، ضغط علماء فرنسيون نبضة ليزر تجاري من الإتيربيوم 65 مرة، ليصل طولها إلى 6.2 فيمتوثانية. وهذا يعادل 1.8 تذبذب فقط من موجة الضوء.

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

يُصوِّب الرامي نحو الهدف، يضغط على الزناد — ويسمع طلقتين: واحدة عالية والأخرى خافتة. هكذا تعمل المنشأة الجديدة، لكن بدل الرصاصات لدينا حزمة إلكترونية، وبدل الطلقات وميضان من الضوء. أحدهما بأشعة إكس والآخر بتيراهرتز. يطيران إلى نقطة واحدة بفاصل زمني مثالي. عادةً تُنتَج هذه الوميضات في آلات مختلفة، ومزامنتها أشبه بجعل عازفي طبول يعزفان بنفس الإيقاع دون أن يرى أحدهما الآخر.

إلكترونان ينبعثان من طرف إبرة معدنية في نفس الوقت تقريبًا يبدآن بالتنافر، وهذا مظهر من مظاهر التنافر الكولومبي بين الشحنات المتشابهة. تشبيه: شخصان يحاولان الدخول من باب ضيق في نفس الوقت؛ كلما كانا أقرب إلى بعضهما، زاد إعاقة كل منهما للآخر. تمكن العلماء لأول مرة من قياس هذا التنافر بشكل كامل في ثلاثة أبعاد، باستخدام إبرة ذات طرف رفيع جدًا ونبضات ليزر فائقة القصر لإخراج الإلكترونات.

الكيوبت الكيوبت فائق الموصلية — العنصر الأساسي في المعالج الكمومي — يُشبه آلة موسيقية حساسة: ما لم تضبطها، لن تحصل على نغمة نقية. ولكن حتى بعد الضبط، يتغير الصوت. المسؤول عن تدهور الحالة الكمومية هي عيوب مجهرية في المادة، يعرفها الفيزيائيون باسم الأنظمة ذات المستويين (two-level systems). تتصرف هذه العيوب مثل شقوق غير مرئية تظهر وتختفي تلقائيًا، معطلة الإيقاع المتماسك للمعالج.

في المحيط الصامت للمجرة، لربما اختارت الحضارات الناضجة منذ زمن استراتيجية غير متوقعة: فبدلاً من المنارات الصاخبة، تنثر يراعات هادئة — منارات ليزرية بين نجمية ذاتية التشغيل، تنجرف في الفراغ وتُسقط ومضات ميكروثانية. هذه «بذور الاتصال» غير مرتبطة بنجومها الأم ولا تخبو في ضيائها.

موجة الضوء ليست أبدًا مسطحة تمامًا: فهي تهتز باستمرار بفعل تموجات كمومية - وهي تقلبات أساسية تنبأت بها نظرية الكم. هذه النبضات شبه غير المرئية كانت موضوع دراسة للحائز على جائزة نوبل روي غلاوبر، الذي وضع أسس البصريات الكمومية - علم سلوك الضوء على المستوى المجهري.

اندفع 3I/ATLAS إلى نظامنا الشمسي كضيف غير مدعو، هدية من القدر لصائدي الذكاء خارج الأرض. هذا المتجول شبيه المذنبات القادم من أعماق المجرة مر قريبًا بما يكفي ليُسمع بكل تفاصيله – على عكس الكواكب الخارجية البعيدة.

جسيم مشحون يندفع عبر مستشعر سيليكوني تاركًا خلفه أثرًا من الإلكترونات الحرة. الزمن الذي تستغرقه هذه الشحنة للتجمع على القطب يعتمد على مدى عمق ولادتها داخل بلورة السيليكون. الجسيم الذي يدخل عموديًا يرسم مسارات متطابقة في البكسلات المتجاورة، فتصل إشاراتها بشكل شبه متزامن.

النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم فائقة الكثافة، حيث تنضغط المادة إلى أقصى حد وصفتها سوبرامانيان تشاندراسخار. النجوم المغناطيسية هي نوع منها بمجال مغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض.

في جزيء البنزين، تدور الإلكترونات حول الأنوية مثل سرب نحل حول خلية. لكن هذا السرب لا يطن فحسب — بل ينبض: كل 856 أتوسكند، تكمل السحابة الإلكترونية دورة تذبذب كاملة. أما الخلية نفسها — أنوية ذرات الكربون — فتهتز ببطء أكبر، بفترة 36 فيمتوثانية. مهمة التقاط الحركتين معًا تشبه محاولة تصوير رفرفة جناح طنان وانقباض عضلة صدره في لقطة واحدة.

عادةً ما تُفصل النظائر بالاعتماد على الفرق في وزن النواة. هذا الفرق ضئيل للغاية — وكأننا نفرز حبيبات رمل يبلغ الفرق بينها واحدًا على مئة من المليمتر. أما الطريقة الجديدة فلا تنظر إلى الوزن بل إلى دوران النواة — أي لفها المغزلي. يوجه الليزر نبضتين إلى الجزيئات بفاصل زمني قصير.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

ومضة الكاميرا العادية تستمر لأجزاء من الألف من الثانية. النبضة الأتوسيكندية أقصر بمقدار تريليون مرة — فخلال زمنها، يقطع الضوء مسافة أصغر من حجم الذرة. تعمل هذه الومضات كغالق فائق السرعة: فهي تجمد حركة الإلكترونات، مما يتيح رؤية كيف تقفز بين المدارات أو تشارك في تفاعل كيميائي. حتى الآن، كانت مشكلة هذه "الغواقل" هي الضوء الضعيف.

ومضة الكاميرا العادية تتجمد في أجزاء من مئة من الثانية، لكنها بالنسبة للذرات أشبه بالخلود. فداخل الجزيئات، تقفز الإلكترونات خلال زمن يُقاس بالأتوثانية: أي أجزاء من مليار من مليار جزء من الثانية. ولتصوير مثل هذه الأحداث، نحتاج إلى نبضة ضوئية أقصر من الحدث نفسه. يأخذ الفيزيائيون حزمة إلكترونات في مسرّع خطي ويضغطونها بحيث تصبح الحزم المفردة أرقّ من الشعرة — من حيث الزمن.

يمكن للضوء أن يحمل المعلومات أسرع من أي إلكترونيات. لكن عادةً ما يكون بين الحاسوب والليزر محول رقمي-تناظري (digital-to-analog converter) — جهاز يحول الأصفار والواحدات إلى إشارات كهربائية. وهذا الجهاز هو ما يبطئ العملية برمتها. جهاز الإرسال الجديد يستغني عن هذا الوسيط. يمر شعاع الليزر عبر عدسة مسطحة بطور قابل للتحكم — صفيحة رقيقة تلوي موجات الضوء.

يشبه الإلكترون في الذرة لاعب تنس ينتظر الإرسال. وميض الضوء هو الكرة الطائرة بسرعة لا يمكن للعين رؤيتها. يلتقط الجهاز الجديد لحظة ملامسة المضرب للكرة بدقة لم يكن يحلم بها أحد من قبل. يستخدم الجهاز شعاعي ليزر: الأول يضرب الذرة، والثاني يعمل كساعة إيقاف.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

عندما يقتلع الضوء إلكترونًا من ذرة، يطير بعيدًا ككرة قُذفت وسط حشد. لطالما أراد العلماء معرفة اللحظة الدقيقة التي يغادر فيها كل إلكترون الذرة، لكن القياس المباشر كان يعطل العملية نفسها. الآن، اقترح الفيزيائيون طريقة تستخدم ومضة ضوئية ثانية لـ«التقاط صورة» للحظة ولادة الإلكترون. تشبه الطريقة تداخل موجتين على سطح الماء: موجة من الإلكترون الأول، وأخرى من إلكترون ثانٍ ناتج عن الومضة القصيرة.

الضوء ليس مجرد شعاع، بل هو موجة لها مجال كهربائي يتغير بسرعة لا يمكن تصورها بالساعات العادية. حتى الآن، كان يُقاس هذا المجال في نقطة واحدة فقط، مثل قياس درجة الحرارة بميزان حرارة واحد. الآن، ابتكر الباحثون طريقة تُظهر المجال كله دفعة واحدة، مثلما يُظهر جهاز التصوير الحراري خريطة الحرارة.

الطاهي يتذوق الحساء بعد كل رشة ملح ويقرر فورًا ما الذي سيضيفه بعد ذلك. هكذا تقريبًا يعمل الجهاز الجديد لزراعة الأغشية البلورية الرقيقة. لكن بدلًا من التذوق، لدينا صورة من المجهر الإلكتروني، وبدلًا من الطاهي، لدينا برنامج حاسوبي. عادةً، للحصول على غشاء بالتركيب المطلوب، يجب تجربة عشرات المجموعات من درجة الحرارة والضغط وتكوين الأبخرة. هذا يستغرق وقتًا طويلًا ويكلف الكثير.

نبض الليزر الذي يجري عبر البلازما يشبه عداءًا يشق طريقه وسط حشد من الناس. فهو يدفع الإلكترونات جانبًا، تاركًا خلفه قناة منخفضة الكثافة — تمامًا كما يفسح الحشد الطريق أمام العداء السريع. داخل هذه القناة، يتحرك قمة موجة الضوء أسرع قليلًا من الضوء في الفراغ، وهذه السرعة هي التي تحدد مدى كفاءة النبض في نقل الطاقة إلى الجسيمات.

الضوء فوق البنفسجي بطول موجة يبلغ حوالي 300 نانومتر غير مرئي للعين، لكنه قادر على تدمير الحمض النووي للجراثيم، وإجبار بعض المواد على التوهج، ونقل المعلومات. حتى وقت قريب، كانت الليزرات في هذا النطاق ضخمة أو مكلفة أو قصيرة العمر.

نبضة ليزر قصيرة تضرب الهواء — فتشتعل عند نقطة الاصطدام شرارة صغيرة تشبه البرق الخاطف. تعيش هذه الشرارة أطول مما يبدو: فالتوهج الساطع يظل مرئيًا لنصف ميلي ثانية، بينما يستمر التوهج الخافت قرابة عشرين ميلي ثانية. طوال هذا الوقت، تندفع الإلكترونات الحرة داخل البلازما، ولأول مرة تمكن العلماء من قياس عددها ودرجة حرارتها بدقة.

ومضة الكاميرا العادية تستغرق جزءاً من الألف من الثانية. أما الجهاز الجديد في مختبر ELI ALPS المجري فيصدر ومضات أقصر بمليار مرة. كل ومضة من هذه الومضات هي بضع مئات من تذبذبات موجة الضوء، معبأة في فترة زمنية يقطع فيها الضوء مسافة أقل من سمك شعرة الإنسان. الضوء بهذه السطوع قادر على طرد إلكترونين من الذرة دفعة واحدة، وليس إلكتروناً واحداً فقط.

الضوء العادي يرتجف دائمًا قليلًا: سطوعه ولونه يتقلبان مثل الهواء في بالون منفوخ بعد دفعة. في الضوء المضغوط، تُعاد توزيع هذه التقلبات الكمومية — كما لو أن البالون يُضغط من جانب واحد، فيصبح أرق هنا وأسمك هناك، لكن الحجم الكلي يبقى نفسه. هكذا نضحي بالدقة في معلم واحد، مثل السعة، لنكسب في معلم آخر، مثل الطور.

يرسل اليراع ومضة تستمر واحدًا على عشرة مليارات من الثانية في مكان ما فوق التايغا السيبيرية. من المستحيل رؤية ذلك، لكن منشأة TAIGA-HiSCORE، المنتشرة على وادٍ في منطقة تونكينسكي في بورياتيا، حاولت التقاط مثل هذه الومضات بالضبط — ليس من الحشرات، بل من أعماق الفضاء. عادةً، يلتقط هذا النظام المكون من العديد من الكواشف الحساسة للضوء جسيمات أشعة الكون التي تصطدم بالغلاف الجوي للأرض.