اختراع الليزر

الضوء في الألياف البصرية يشبه الجدول: فهو ينتشر داخل الخيط الزجاجي، محتجزًا بالانعكاس الداخلي الكلي، ولا يخرج عن حدوده. الألياف السميكة، لامتلاكها عددًا كبيرًا من الأنماط، تمرر العديد من هذه «الجداول» في وقت واحد؛ أما الرفيعة فتمرر نمطًا واحدًا فقط. غالبًا ما يحتاج علماء الفلك إلى إعادة توزيع الضوء من ألياف سميكة متعددة الأنماط إلى عدة ألياف رفيعة، لتحليله طيفيًا لاحقًا.

لمدة ثلاثة أيام متتالية، ضرب الليزر نفثًا من الغاز، وفي كل ثانية وُلدت حزمة إلكترونات بطاقة تعادل طاقة برق صغير. في السابق، كانت هذه الحزم لا تُنتَج إلا في قاعات ضخمة حيث يشغل المسرّع مبنى بأكمله. الآن، الجهاز بأكمله يتسع في غرفة واحدة وعمل دون انقطاع لمدة 72 ساعة. السر يكمن في أن نبضة الليزر تضغط في الغاز موجة — مثل قارب يترك خلفه أثرًا.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

تخيل راقصًا بثلاثة وجوه على قمة موجة ضوئية. وجه ماسك يلتقط الفوتونات الساقطة. ووجه مرآة مثالية تعكس الضوء للخلف. ووجه زجاج معتم ينثر الأشعة في كل الاتجاهات. ما دامت السرعة صغيرة، يبقى الرقص متناغمًا. لكن عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، تختل تصميم الرقصة. يشبه الأمر راكب الأمواج الذي يطارد الموجة. في البداية، تدفعه المياه بقوة إلى الأمام.

جهاز قياس المسافة العادي يرسل نبضة ضوئية واحدة وينتظر عودتها – مثل شخص يصرخ في الفضاء الفارغ ويستمع إلى الصدى. لكن إذا استخدمنا عدة مصادر تضيء بتناغم، وحللنا ليس قوة الإشارة بل إيقاع تتابع الومضات المنعكسة، تصبح الصورة أكثر وضوحاً. تأثير الوميض المتزامن – الإشعاع الفائق – معروف من أعمال روي جلاوبر.

الشوكة الرنانة تصدر صوتًا نقيًا للغاية، لكن بمجرد لمسها يتغير النغمة بشكل شبه فوري. تقريبًا هذا هو التحدي الذي واجه المهندسون: صنع ليزر يمتلك خاصيتين يبدو أنهما غير متوافقين — نقاء طيفي استثنائي (خط إشعاع ضيق جدًا، مثل الشوكة الرنانة التي تعطي نغمة واحدة دون رنين) وقدرة سريعة على إعادة ضبط هذا التردد.

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.

الليزر العادي يضيء بخطوط ضيقة، مثل وتر يصدر نغمة واحدة فقط. هذا غير مريح للتحليل الطيفي: إذا كانت المادة تمتص الضوء بين الخطوط، فقد لا نلاحظها. ليزر التيراهرتز الكمي المتتالي (quantum cascade laser) هو شريحة شبه موصلة بحجم الظفر، يصدر موجات بتردد من 1 إلى 6 تيراهرتز (تريليونات الاهتزازات في الثانية).

الليزر التقليدي يشبه أوركسترا يحتاج فيها العازفون إلى الإحماء قبل العزف بتناغم. يجب أولاً ضخ طاقة كافية إلى الذرات حتى "تنقلب" وتكون مستعدة لإصدار الضوء — وهذا ما يسمى انعكاس التعداد السكاني. عندها فقط ينطلق الشعاع. أما الليزر الإكسيتوني-الفوتوني فيعزف وفق قواعد مختلفة: "عازفوه" — مزيج من الضوء والمادة — يدخلون في العمل دون تحضير تقريبًا.

سكين مطبخ عادي مصنوع من النيوبيوم عند درجة −258 °م يبدأ فجأة في توصيل التيار الكهربائي دون أدنى فقدان. هكذا تعمل الموصلية الفائقة، ويمكن "تشغيلها" مباشرة على سطح المعدن إذا قصفناه بالليزر في جو من النيتروجين.

الليزر العادي هو مضخم للضوء، حيث تبعث الذرات، بعد تلقيها الطاقة، موجات من تردد واحد بشكل متناسق. يفعل المازر الشيء نفسه، لكن بالنسبة للميكروويف — إشعاع غير مرئي يسخن الطعام في فرن الميكروويف وينقل الإشارات في الهواتف. في العمل الجديد، بنى الفيزيائيون مازرًا ليس من غاز أو بلورة، بل من دائرة كهربائية فائقة التوصيل، حيث يعمل عنصر اصطناعي متعدد مستويات الطاقة بدلاً من الذرة الحقيقية.

يحول ليزر الألماس ما يقرب من نصف طاقة الضخ إلى ضوء أصفر ساطع — بكفاءة 47.7% وهي رقم قياسي لهذه الأجهزة. لكن الميزة الأساسية ليست في القدرة، بل في نقاء اللون الاستثنائي: الشعاع أحادي اللون لدرجة يمكن تشبيهه بآلة موسيقية تصدر نغمة واحدة دون أدنى ارتعاش.

شعاع ليزر صغير يلامس البلورة للحظة — وفجأة، وكأنه بسحر، تتوهج شرارات كمومية منفردة في الداخل. هذا ليس خدعة، بل طريقة جديدة لإنشاء الكويبتات (qubits) — خلايا العمل لحواسيب الكم المستقبلية. المادة هي كربيد السيليكون، وهي نفسها المستخدمة بالفعل في إلكترونيات القدرة والثنائيات الباعثة للضوء.

يعمل جهاز قياس المسافات الليزري التقليدي مثل ساعة توقيت في سباق 100 متر: فهو يسجّل الزمن الذي يستغرقه الضوء للذهاب إلى الهدف والعودة. لكن لهذه الساعة حدّ — فهي تدق بخطوات تبلغ عشرات البيكو ثانية (أجزاء من تريليون الثانية). خلال هذه الخطوة، يقطع الضوء حوالي سنتيمتر واحد، لذلك لا يمكن رؤية تفاصيل أصغر من ذلك.

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.

الليزر العادي يشبه جوقة يغني فيها كل فرد بمفرده — الصوت عالٍ لكن مع خشونة لا مفر منها. في الليزر الكمومي الجديد، يسمع المغنون بعضهم البعض ويضبطون أصواتهم. هذا التنسيق يقلل من الإنتروبيا (مستوى الفوضى) ويكبت الضوضاء الكمومية — الاهتزاز الحتمي للضوء على المستوى الدقيق.

الضوء عادةً يسير في خط مستقيم، مثل شعاع مصباح يدوي. لكن يمكن لفه مثل الماء في قمع، فتظهر دوامة في الشعاع. هذا الضوء الملتوي قادر على حمل بيانات أكثر: فالدوامات المختلفة لا تتعارض مع بعضها، تمامًا كالقنوات الراديوية المختلفة. كانت المشكلة في صنع مصدر لهذا الضوء صغير بما يكفي ليوضع على رقاقة.

الضوء الصادر من مصباح واحد عادةً ما ينتشر في جميع الاتجاهات، والتقاطه بالتساوي في عدة قنوات يعد لغزاً محيراً. في العمل الجديد، يتم تقسيم الضوء إلى تسعة أشعة متطابقة دون أي عدسة أو مرآة. وبدلاً من ذلك، تُستخدم صفيحة زجاجية ذات مسارات محفورة تعمل كأدلة موجية، ينتشر الضوء عبرها بالطريقة المطلوبة.

في المسرعات العملاقة، تطير الجسيمات بسرعة تقارب سرعة الضوء وتتصادم وجهًا لوجه. لكن في بعض الأحيان تكون إحدى الحزم أكثر كثافة قليلاً من الأخرى — كما لو أن شخصًا ما وقف في الاتجاه الخاطئ على سلم كهربائي مزدحم. عندها تكون التصادمات غير متساوية، وتبدأ الأجهزة في "الوميض"، مما يخل بالقياسات. لمنع ذلك، يجب التحكم في كثافة الحزم بدقة شديدة. يقترح العلماء استخدام الليزر لهذا الغرض.

شعاع مصباح يدوي، بعد مروره عبر شق ضيق، لا يبقى شريطًا رفيعًا، بل ينتشر جانبًا. من طبيعة الضوء أن ينحني حول حواف العوائق، ولهذا السبب فإن أصغر بقعة ضوئية يمكن الحصول عليها بعدسة عادية لا تقل عن نصف طول الموجة. بدا هذا الحدّ عصيًا على الكسر، حتى ظهرت فكرة تمرير الضوء عبر ثقب إبرة مع إبقائه رفيعًا.