ليزر الإلكترون الحر

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.

للنظر أعمق في بنية الكون، يقوم الفيزيائيون بتسريع الإلكترونات وتصادمها مع بعضها البعض. يمتلك الإلكترون العادي زخمًا زاويًا ذاتيًا يسمى السبين، ويمكن تخيله كمحور دوران لقمة دوارة صغيرة. في الحزمة العادية، تكون هذه المحاور موجهة بشكل عشوائي. للتجارب الدقيقة، نحتاج إلى جسيمات ذات سبينات مرتبة — وتسمى هذه الحالة استقطابًا.

في صفٍّ متقارب من الذرات، تصطف على مسافات أصغر من طول موجة الضوء، تكمن حالة مدهشة. يتوزع الإثارة على جميع الجسيمات بحيث يلغي إشعاعها نفسه بنفسه — هذه حالة دون إشعاعية، "صمت" كمومي جماعي. إنها خزنة مثالية لـ فوتون — كمية الضوء: يمكن أن يبقى فيها أطول بمئات المرات من المعتاد.

شعاع مصباح يدوي يخترق الضباب. كلما كان الضباب أكثر كثافة، زاد تشتت الضوء وتأخر وصوله إلى العين. مبدأ مشابه يعمل مع ومضات الراديو السريعة، وهي نبضات غامضة فائقة القوة من مجرات بعيدة. تتفاعل موجاتها الراديوية، أثناء مرورها عبر الفضاء الكوني، مع الإلكترونات الحرة، وهي جسيمات منفصلة عن الذرات. هذا التفاعل يؤخر الإشارة: فكلما زاد عدد الإلكترونات في المسار، زاد التأخير.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريباً، يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة، وصف رياضياً لأول مرة هاويته الجاذبية كارل شوارتزشيلد. عندما يبتلع الغاز، يتولد نواة نشطة مبهرة – كوازار. سمته المميزة – خطوط انبعاث عريضة في الطيف.

المجهر العادي عاجز عندما يتعلق الأمر برؤية فيروس منفرد بكل تفاصيله. إنه صغير جدًا. لكن هناك أداة تضرب بومضات أكثر سطوعًا بمليارات المرات من ضوء الشمس — ليزر الأشعة السينية ذو الإلكترونات الحرة. إنه مصمم بحيث يتمكن من "التقاط صورة" للجسيم قبل أن يتبخر من شعاعه نفسه. وبهذه الطريقة، درس العلماء فيروس العاثية PR772، الذي تم رشه في الهواء.

الليزر ليس ضوءًا فقط. إذا جعلت جسيمًا يتأرجح مثل البندول، وهذه التأرجحات تدعم نفسها بنفسها، تحصل على ليزر فونوني. يبدو الأمر معقدًا، لكن الفكرة بسيطة: بدلاً من موجات الضوء، يصدر الجهاز موجات منتظمة من الاهتزازات الميكانيكية — الفونونات. في العمل الجديد، كان "البندول" عبارة عن أيون كالسيوم واحد محاصر في مصيدة كهرومغناطيسية.

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.

دوارة الضوء لا تُدير الأشخاص، بل الإلكترونات. وبدلاً من الخيول الخشبية، هناك شفرات غير مرئية مصنوعة من الضوء. هذا هو بالضبط ما بناه الفيزيائيون «دوارة» لمنح الإلكترونات دورانًا. عادةً، للف تدفق الإلكترونات في دوامة، تحتاج إلى قناع صغير — استنسل به شقوق محفورة على مقياس الذرات. من الصعب جدًا تصنيعه. تجاوز مؤلفو العمل هذه العقبة: لقد استبدلوا الشبكة المادية بشبكة ضوئية — أشعة ليزر متقاطعة.

خرطوم الحديقة يضرب بنفث رفيع وقوي. إذا حرّكته فوق قطعة الأرض، يمكنك ريّ الحديقة كلها دون إغراق الممرات. تقريبًا هكذا يعمل النهج الجديد لعلاج الأورام العميقة: بدلًا من تيار إشعاع عريض، نأخذ حزمة ضيقة من الإلكترونات المسرّعة إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، ونمسح بها الورم كما لو كانت نفث ماء.

جزيء الديوتيريوم — ذرتان من الهيدروجين الثقيل — يتفكك تحت وطأة الليزر. يُقتلع إلكترون واحد، تاركًا أيونًا خلفه. في تلك اللحظة، ما زالا مرتبطين: اتجاه أحدهما يخبرك فورًا أين ذهب الآخر. هذا الارتباط يُسمى التشابك الكمومي.

أصبح ليزر الأشعة تحت الحمراء في معهد فريتس هابر يعمل الآن كقائد أوركسترا بعصا مزدوجة. في السابق، كان يصدر شعاعًا واحدًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، حيث تهتز الجزيئات. الآن، أُضيف إليه مذبذب ثانٍ يُصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء البعيدة، حيث "تتنفس" الهياكل الجزيئية بأكملها.

إن قدرًا عاديًا من الألومنيوم على الموقد لا يصدر جزيئات يمكن التقاطها بالضوء. ولكن إذا أخذت الألومنيوم وملح الألومنيوم وسخنتهما معًا في فرن صغير، فستحصل على تيار من جزيئات فلوريد الألومنيوم - مثل بخار الماء المتصاعد من فوهة إبريق الشاي، لكن بدلاً من قطرات الماء، تطير جزيئات صغيرة جدًا.

حزمة الإلكترونات في المسرّع تشبه سربًا من الطيور: تطير في مجموعة متماسكة، لكنها مع الوقت تتفرق. عادةً، لإبقاء الجسيمات معًا، تُستخدم مغناطيسات ثقيلة. هنا استغنوا عنها — الحزمة ضغطت نفسها بنفسها. في تجربة على منشأة FACET-II، تم تمرير حزمة من 10 مليارات إلكترون (شحنة 1 nC) بطاقة 10 GeV عبر كومة من رقائق معدنية رقيقة. عندما تمر الحزمة عبر الرقاقة، ينعكس مجالها المغناطيسي عنها ويعود إليها.

الضوء العادي يشبه حشدًا في ساحة: كل فوتون يتحرك بمفرده، يتصادم ويتفرق. لكن في بعض الأوساط، تبدأ الفوتونات، كقطيع من الكلاب، بالركض معًا — تتجمّع. ابتكر العلماء ليزرًا على ألياف عشوائية، حيث تتجمع جسيمات الضوء في أسراب كثيفة بشكل خاص. هذه الظاهرة تسمى التجمّع الفائق للفوتونات.

الفوتونات المتشابكة الفوتونات هما رسولان يسيران بخطى متزامنة: حالاتهما الكمومية، وخاصة الاستقطاب، مترابطة بحيث أن قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر، حتى عبر المسافات. في المادة، يختل هذا التزامن. من خلال طبيعة الاضطراب، يمكن تحديد ما وُجد في الطريق: مفترق طرق بدد المسارات، أو دوامة مغناطيسية لوت الخطى.

ليزر قوي يضرب هدفًا صغيرًا جدًا، فيتحول فورًا إلى سحابة من الغاز شديد الحرارة، وهي البلازما. داخل هذه السحابة تتولد مجالات مغناطيسية تلقائيًا. إنها، مثل أيادٍ غير مرئية، تمنع الحرارة من الهروب بحرية من المركز الساخن. ولهذا السبب تُعتبر هذه المجالات مهمة للاندماج النووي الحراري — العملية التي تغذي الشمس والتي يحاول البشر ترويضها على الأرض.

مدينتان: واحدة بشوارع مستقيمة ومنظمة، وأخرى بأزقة متشابكة. إذا أطلقنا تيارًا مائيًا قويًا في كلتيهما، ففي الأولى سيغادر الماء بسرعة عبر القنوات، بينما في الثانية سيغرق كل شيء. هذا تقريبًا ما يحدث للأنسجة أثناء العلاج الإشعاعي فائق السرعة المعروف باسم FLASH. في الأنسجة السليمة، تُرتَّب الخلايا بشكل منتظم، مثل المنازل على شوارع مستقيمة.

المسرع العادي يشبه خط التجميع، حيث تكون الإلكترونات هي القطع الخام. للحصول على نبضة الأشعة السينية المطلوبة، تُضبط القطعة الخام لفترة طويلة بعد الانطلاق: تُضغط، وتُصفى، وتُصحح. في العمل الجديد، قرر المهندسون التصرف بشكل مختلف — إعطاء الشكل للقطعة الخام قبل أن تصل إلى خط التجميع. في منشأة LCLS-II، تُقتلع الإلكترونات من المعدن بنبضة ليزر قصيرة.

تحيط بنا موجات الراديو، لكن العين لا تراها. مستشعر جديد بحجم الظفر يحولها إلى بقعة ملونة على شاشة صغيرة. داخل الرقاقة توجد طبقة من البلورات السائلة، وهي نفسها المستخدمة في شاشات الهواتف. ومن بينها أسلاك رفيعة من مادة مغناطيسية حديدية. عندما تصل موجة راديو، تسخن الأسلاك بسرعة. ينتقل الحرارة إلى البلورات، فتغير ترتيب جزيئاتها. الضوء المار عبر البلورات يتغير استقطابه.

ضوء الليزر يشبه صفًا مثاليًا من الجنود في عرض عسكري: كل الموجات تهتز في مستوى واحد. هذا النوع من الضوء يُسمى مستقطبًا. في الدراسة الجديدة، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من الحصول على أشعة غاما مستقطبة عن طريق تصادم الإلكترونات مع نبضة ليزرية قوية.

في قطعة من أكسيد المنغنيز بسماكة بضع طبقات ذرية، تتصرف الإلكترونات كحشد على سُلَّم متحرك: كلٌّ يتحرك وفق قواعده الخاصة، لكنهم معًا يشكلون تيارًا عامًا. وجّه الفيزيائيون إلى هذا الغشاء أشعةَ إكس لينة (soft X-rays) واقتلعوا الإلكترونات إلى الخارج. ومن زاوية الانطلاق وطاقة تلك الإلكترونات، أعادوا بناء صورة مستويات الطاقة — وهي بمثابة جدول حركة داخل المادة.

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.

عدسة "عين السمكة" هي زجاج غير عادي: معامل انكساره يتغير من المركز إلى الأطراف بحيث أن أي شعاع ينطلق من نقطة عشوائية يتجمع في النقطة المقابلة لها تمامًا. صنع مثل هذه العدسة من الزجاج العادي شبه مستحيل، لكن الفيزيائيين وجدوا طريقًا ملتويًا. في سحابة من الذرات المبرَّدة إلى أجزاء من مليار درجة فوق الصفر المطلق، تتصرف الموجات الصوتية مثل الضوء في العدسة.

مصادر الضوء السيني الحديثة تشبه أوركسترا بلا قائد: الإلكترونات في الحزمة تطير بشكل عشوائي، فيكون الإشعاع غير واضح. الفكرة الجديدة هي جعل الإلكترونات تصطف في صفوف منتظمة بمسافات تبلغ بضعة نانومترات. عندها يصبح الضوء المنبعث منها مترابطًا (coherent)، مثل شعاع الليزر. لتحقيق ذلك، يتم توجيه ليزرين ضعيفين إلى بلازما (غاز من الجسيمات المشحونة) بحيث يتقاطعان.

ضوء الشمس تيارٌ هائج يحمل أزواجًا لا تنفصل من القطرات. هكذا يبدو التشابك الكمي: جسيمان مرتبطان بشدة لدرجة أن اهتزاز أحدهما ينعكس فورًا في الآخر. في السابق، كان إنتاج هذه الأزواج يتطلب ’بركة هادئة‘ – شعاع ليزر مضبوط بدقة.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.

يمكن تشبيه تدفق الإلكترونات بحزمة ضوء من مؤشر ليزري: إذا تباعدت، فإن البقعة على الحائط سرعان ما تتلاشى. في المختبر، صنع الفيزيائيون حزمة ضيقة لدرجة أنها ظلت رفيعة على مسافة كبيرة، مثل شعاع مؤشر جيد. للقيام بذلك، قاموا بتسريع الإلكترونات في مسرع بلازما، حيث تلتقط الجسيمات موجة في غاز مؤين، ثم ضغطوا التدفق بمغناطيس دائم على شكل ملف لولبي.

الحشية المطاطية العادية تخمد الاهتزاز مثلما تخفف البطانية السميكة الصوت: كلما كانت أكثر سماكة ووزنًا، كان ذلك أفضل. لطالما حلم المهندسون بمادة تكون خفيفة، لكنها في الوقت نفسه "تبتلع" الاهتزازات بما لا يقل عن مخمد ضخم. في العمل الجديد، تمكنوا من تجميع مثل هذه المادة من جزأين مختلفين: شبكة مرنة ناعمة مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقطرات صغيرة من معدن سائل مخبأة بداخلها.

الرنين المغناطيسي هو مثل الشوكة الرنانة التي تصدر نغمة واحدة فقط. لكل جزيء تردده الخاص، ويمكن من خلاله معرفة نوع الجزيء وحالته. لكن في السابق، كان الاستماع إلى هذه الشوكة يتم عبر جدار سميك: كانت الإشارة مشوشة، وكان من الصعب تمييز النغمة الدقيقة. الفيزيائيون من ألمانيا بنوا جهازًا يستمع إلى الجزيئات في مجال مغناطيسي قوي جدًا — أقوى بـ 300 ألف مرة من مجال الأرض.

ليزر الألياف العشوائي بالتغذية الراجعة هو خيط رفيع من الزجاج ينتقل فيه الضوء، لكنه لا ينعكس عن مرايا، بل عن عدم تجانسات دقيقة في الألياف نفسها. لا يُصدر هذا الليزر شعاعًا ثابتًا: فضوءه يرتجف ويومض مثل لهب شمعة في تيار هواء. في دراسة جديدة، تتبع الفيزيائيون بالتفصيل ولأول مرة كيف يرتجف هذا الضوء، واكتشفوا أن إحصاءاته أغنى بكثير من إحصاءات الليزر العادي.

إن إشعال شمس مصغرة هو حلم قديم للبشرية. عادةً ما يحاول العلماء احتجاز بلازما ملتهبة (غاز من جسيمات مشحونة) عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات. لكن البلازما تسعى للانفلات من المصائد المغناطيسية، ويكلف احتجازها نفقات هائلة. يقدم بحث جديد مسارًا آخر: عدم تسخين كل الوقود، بل إطلاق شعاع من الجسيمات السريعة نحو هدف.

المغناطيس المثبت على الثلاجة يعتمد على إبر داخلية صغيرة جدًا، كل منها يشبه بوصلة مصغرة. إذا ضربنا المعدن بومضة ضوء قصيرة جدًا، تبدأ هذه الإبر في التحرك بشكل عشوائي، وتختفي المغناطيسية خلال جزء من مليون من مليار جزء من الثانية. في السابق، كان هذا "الاختفاء" أسرع من أن يُرى. الآن ظهرت أشعة ليزر سينية تُطلق ومضات أقصر من الزمن الذي يستغرقه خطوة واحدة للذرة.

ليزر على بلورة نيتوبات الليثيوم ينشط بتيار 40 ملي أمبير. ينقسم ضوءه إلى شعاعين، يمر كل منهما عبر دليل موجي بطول ستة ملليمترات، حيث تتولد أزواج من الفوتونات التوأم. يقوم أحد الشعاعين بتدوير استقطاب توائمه، ثم يندمج المساران في قناة واحدة. عند المخرج: مصنع كمومي في راحة اليد، ينتج 45 مليار زوج متشابك في الثانية بقدرة لا تتجاوز 18.8 ميكروواط.