ساعة بصرية

تسقط نبضة ليزرية على طبقة رقيقة من MoS₂، فيغلي في داخلها سحاب من الإلكترونات ذات طاقة زائدة. هذه الحاملات الساخنة تشبه عدّائين انطلقوا بسرعة عالية، لكن عليهم في طريقهم إلى خط النهاية أن يفقدوا كل اندفاعهم بسبب الاصطدامات مع الشبيكة البلورية.

يحرّك قائد الأوركسترا عصاه، فتنتج الفرقة ليس مجرد صوت، بل نوتة معقدة: كل نغمة تصدر في لحظتها، وعلى ارتفاعها الصوتي، وبالقوة المطلوبة. يمكن للضوء أيضًا أن يكون نوتة موسيقية، إذا تحكمنا في طيفه وزمانه. سابقًا، تطلّب ذلك منشآت ضخمة لا يمكن إعادة ضبطها بعد التجميع. الآن، ابتكر الباحثون رقاقة فوتونية قابلة للبرمجة تقود نبضات الضوء، بينما تقترح شبكة عصبية كيفية تحقيق النمط المطلوب.

أوركسترا من مئة عازف تعزف دون قائد. كل آلة مضبوطة بدقة، لكن كماناً واحداً انحرف قليلاً فتتهافت الانسجام. الأنظمة الليزرية المعقدة في الحواسيب الكمومية تتصرف بالمثل: عشرات المرايا والعدسات يجب أن تكون ثابتة بدقة تصل إلى أجزاء من المليمتر، وأدنى انحراف يحول الشعاع الواضح إلى بقعة ضبابية. في السابق، كانت معايرة هذه البصريات تشبه البحث عن إبرة في كومة قش.

الكشاف في المسرح يُبقي الممثل داخل شعاع الضوء أينما خطا. رادار التيراهرتز الذي سنتحدث عنه يفعل الشيء نفسه مع نبضة ضوئية قصيرة تنعكس عن جسم متحرك. تقع موجات التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. فهي تخترق الملابس والبلاستيك لكنها لا تضر الأنسجة، لذلك تُجرَّب لأغراض التفتيش والتشخيص الطبي. الطريقة التقليدية تقيس شكل نبضة قصيرة منعكسة عن العينة.

حالتا ذرة السترونشيوم — الأساسية والمثارة — تتصرفان كتوأمين يركضان على نفس المضمار، لكن أحدهما أعلى قليلًا من الآخر. عادةً، الضوء المستخدم للتحكم في الذرات يدفع أحد "التوأمين" بقوة أكبر والآخر بقوة أقل. هنا تم اختيار طول موجي قدره 813 نانومتر — وهو "سحري" — حيث تتلقى الحالتان دفعة متساوية.

العالم الكمومي لا يغفر النسيان. ألقِ حجرًا في بركة — ستتموج الدوائر وتختفي، وتتبدد معلومات السقوط دون أثر. في ميكانيكا الكم الأمر مختلف: تطور النظام قابل للعكس، والماضي لا يُمحى تمامًا أبدًا. لكن كيف نميز نظامًا يسوده الفوضى الحرارية عن نظام حُبست جسيماته كلٌّ في خليتها وتذكر حالتها الابتدائية؟ وجد مؤلفو المقال طريقة.

يشبه تكتكة الساعات الذرية ضربات بندول الإيقاع، لكن بدل البندول نجد اهتزازات الإلكترونات في الذرة. ساعتان من هذا القبيل – واحدة على أيون الإيتربيوم والأخرى على ذرات السترونشيوم – وُضعتا جنبًا إلى جنب ليقارن الباحثون إيقاعهما. استغرقت القياسات نحو عامين.

أدق ساعة توقيت في العالم ما زالت تعمل بنظرة إلى البندول القديم. أجهزة المازر الهيدروجينية – أفضل "الحدافات" الراديوية (أجهزة تحفظ الإيقاع بين ومضات المعايرة مع المعيار) – تراكم الخطأ بسبب تسرب الضوضاء بين القياسات إلى الإشارة النهائية. يسمي الفيزيائيون هذا تأثير ديك، وهو يضع حدًا لدقة أي مقياس زمن مبني على الترددات الراديوية. استبدل المؤلفون الحدافة الراديوية بحدافة بصرية.

النسبية العامة، التي تصف بنية الكون، لا تمنع الحلقات الزمنية. لكن ستيفن هوكينج طرح فرضية "حماية التسلسل الزمني": حيث يجب أن تعمل التأثيرات الكمومية على تدمير هذه الحلقات، مما يجعل السفر إلى الماضي مستحيلًا. تقترح تجربة جديدة اختبار هذه الفكرة باستخدام الليزر.

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.

الساعات الذرية التقليدية تشبه شوكة رنانة يجب إمساكها في صمت تام وسكون. أدنى حركة تجعل النغمة غير مستقرة. وكذلك الأمر مع الذرات: حركتها الحرارية تزيح تردد الإشعاع، والساعات فائقة الدقة تتطلب شبه توقف تام للجسيمات. هذا أمر صعب ومكلف وضخم.

بندول يتأرجح من تلقاء نفسه دون أي شد — في العالم الكمومي، تُسمى هذه "البندولات" بالبلورات الزمنية. فيها تنشأ الحركة الإيقاعية تلقائيًا ولا تخمد. لكن حتى الآن، كان التحكم في هذا الإيقاع شبه مستحيل: أي تدخل قد يدمر النظام الهش. في التجربة، استُخدم تجويف متناهي الصغر مصنوع من زرنيخيد الغاليوم والألومنيوم.

بندول يتأرجح ما يقرب من نصف مليون مليار مرة في الثانية. هذه ليست ميكانيكا — بل نبض ضوء محبوس في ذرات الإتيربيوم. بدل التروس، تعمل هنا شبكة ليزرية — موجة واقفة تمسك الذرات في العقد، مثل حبات البازلاء في قرنها. هكذا تُبنى أدق الساعات في العالم: إنها تدق بهامش خطأ لا يتراكم فيه ثانية واحدة إلا في زمن يبلغ ثلاثة أضعاف عمر الكون.

حجر يُلقى في بركة يُحدث دوائر تنتشر في كل الاتجاهات. والآن تخيل أن البركة نفسها تتحول فجأة إلى هلام، وبشكل لحظي، أسرع من أن تكمل الموجة قمة واحدة. جزء من الدوائر سيواصل الانتشار لكنه سيغير إيقاعه، وجزء آخر سينعطف فجأة ويعود أدراجه نحو نقطة الرمي، وكأن الزمن قد انعكس له. هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون بالضوء. في الحياة العادية، ينعكس الضوء عن الحد الفاصل بين وسطين — مثل الزجاج أو الماء.

يتأرجح البندول بدقة مذهلة، فلو كان يعدّ الثواني منذ الانفجار العظيم، لما أخطأ حتى اليوم سوى نصف ثانية. هذا هو استقرار الليزر فوق البنفسجي المحمول الجديد — قلب ساعات الألومنيوم الذرية. يعمل هذا الليزر كمسطرة فائقة الدقة لقياس تردد الانتقال الذري.

في أقبية أربعة معاهد أوروبية، وُضعت سبعة أجهزة — يمكن تشبيه كل منها بشوكة رنانة بدقة لا تُتصور. لكن بدلًا من الصوت، تصدر «دقات» من الضوء: اهتزازات ليزر محبوس على تردد معين بواسطة ذرات السترونشيوم أو الإيتربيوم أو الزئبق. هذه الذرات، المبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعمل مثل دولاب موازنة ضخم لا يخطئ خطوة واحدة.

في المسرعات الضخمة، تمر الجسيمات عبر الكواشف في أجزاء من مليار من الثانية، ولتمييز جسيم عن آخر نحتاج إلى ساعة توقيت فائقة الدقة. يعمل الكاشف الجديد µRWELL-PICOSEC كساعة توقيت من هذا القبيل: فهو يلتقط لحظة مرور الجسيم بدقة تصل إلى 48 بيكو ثانية، أي 48 تريليون جزء من الثانية. السر هو أن الكاشف يجمع بين ظاهرتين فيزيائيتين.

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.

الساعة الذرية هي بندول يدق بتردد الضوء. داخل المصيدة يعلق أيون ألومنيوم، ويلامسه الليزر كما يلامس الشوكة الرنانة. إذا تزامن تردد الليزر مع التردد الطبيعي للذرة، تستجيب الذرة. وبناءً على هذه الاستجابة يتم ضبط سير الساعة. لفترة طويلة، كانت حسابات الدقة تُجرى كما لو أن الذرة لها حالتان فقط: الحالة الأساسية والحالة المثارة.

الموصل الفائق هو مادة، عند تبريدها بشدة، توصل التيار دون فقدان، مثل الماء الذي يتدفق في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا ضربته بومضة ضوئية قصيرة، فإنه يفقد هذه الخاصية بسرعة. في التجربة الجديدة، أضاء العلماء غشاءً رقيقًا من نيتريد النيوبيوم وقاسوا خلال كم جزء من مليار من الثانية تختفي الموصلية الفائقة.

شعاع الضوء، عند مروره عبر صفيحة شفافة، يحتفظ عادةً بلونه. أما إذا جمعت الصفيحة من طبقات رقيقة متناوبة، فإنها تتحول إلى شبكة تعكس الموجات وتمررها بشكل انتقائي. وقد استُخدم هذا منذ زمن طويل في الليزر والمرشحات الضوئية. والآن، جُعلت هذه الشبكات تهتز — فبدأ الضوء يغيّر لونه.

جسيم صغير يطفو في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء مصباح يدوي. تدفعه جزيئات الماء باستمرار، بشكل عشوائي ومن جميع الاتجاهات. عادةً ما تكون هذه الدفعات مزعجة: فالجسيم يتحرك بعشوائية، وتتحول القياسات الدقيقة إلى يانصيب. لكن الفيزيائيين ابتكروا طريقة لتحويل هذه الإزعاجات إلى ميزة.

إذا هززت صندوقًا مليئًا بالرمل طويلًا، ستظهر على الرمل أنماطٌ لم تكن موجودةً حين كان الصندوق ساكنًا. وهكذا هنا: أخذ الفيزيائيون سحابةً من الذرات الباردة، وحبسوها في شبكة ضوئية، وبدأوا يهزّونها دوريًا. فظهرت للذرات حالة جديدة — كالنمط الجديد على الرمل الذي لا يوجد بدون هزّ. تُسمى هذه الحالات «الأطوار الطوبولوجية» (topological phases). في هذه الدراسة، استُخدم «محركان» بترددين مختلفين.

ساعتان في غرفتين مختلفتين يجب أن تدقا بنفس الإيقاع. عادةً، يتم إرسال نبضات ساطعة أو أزواج من الفوتونات تصل الواحدة تلو الأخرى بدقة. لكن الإشارة قد تكون ضعيفة جدًا لدرجة أن الفوتونات بالكاد تصل. في هذا العمل، تمت مزامنة الساعتين بضوء أضعف بمليار مرة من الضوء العادي. التحليل الطيفي ليس له علاقة هنا، لكن الزمن مرتبط بالضوء مباشرة.

الساعات الذرية العادية تنبض عندما يقفز إلكترون بين مستويات الطاقة. لكن المجالات الخارجية والاصطدامات قد تخل بهذا الإيقاع. الأيونات عالية الشحنة — ذرات نُزعت منها إلكترونات كثيرة — تكاد لا تلاحظ مثل هذه الاضطرابات: إلكتروناتها تقع في عمق الذرة وترتبط بقوة. لذلك فهي تصنع «بندولات» فائقة الاستقرار. أيون Cf17+ هو ذرة كوريوم نُزعت منها 17 إلكترونًا.

المشط العادي يفصل الشعر إلى خصلات متساوية. «المشط» الليزري يفعل الشيء نفسه مع الضوء: فهو لا يصدر لونًا واحدًا، بل آلاف الألوان، تفصل بينها خطوات تردد متساوية تمامًا. هذه الأداة ساعدت بالفعل في قياس الوقت بدقة تصل إلى أجزاء من المليار من الثانية، والنظر داخل الذرات.

منذ أن أظهرت فيرا روبين لأول مرة وبشكل مقنع أن المجرات محاطة بمادة غير مرئية، لا يزال البحث عن طبيعة المادة المظلمة أحد المهام الرئيسية في الفيزياء.

يمر شعاع الليزر عبر كوفيت زجاجي يحتوي بخار الروبيديوم، ومن طريقة امتصاص الذرات للضوء يمكن معرفة حرارتها. هذا يشبه قياس سرعة السيارات من خلال عدم وضوح الصورة الفوتوغرافية: فكلما تحركت الذرات أسرع، اتسع خط الامتصاص. مقياس الحرارة العادي يضيء بتردد واحد ويغيّره ببطء، مثل شخص يجرب مفاتيح البيانو واحدًا تلو الآخر.

داخل تجويف مرآوي صغير، أصغر من سمك الشعرة، يُحبس الضوء وينعكس مرارًا عن الجدران. إذا وُضعت فيه مادة قادرة على امتصاص الضوء وإصداره، تبدأ جسيمات الضوء (الفوتونات) في «الارتداء» بإثارات المادة — وهكذا تولد أنماط بولاريتونية (polaritonic modes). عادةً ما يهيمن على هذا التجويف ضوء متماسك ساطع، يشبه شعاع ليزر قوي.

سخّن ساعة كوارتز عادية بعشر درجات، وستبدأ بالتأخر ثوانٍ في اليوم. الساعات الذرية أدق، لكنها تشغل خزانة كاملة. الألماس بعيب صغير — الفراغ النيتروجيني — يعد بدقة الساعات الذرية في حجم حبة رمل. مشكلة واحدة: هذا العيب حساس جداً للحرارة، مثل شوكة رنانة تغيّر نغمتها مع حرارة الهواء. في العمل الجديد، جعلوا العيب يصدح بصوتين في آنٍ واحد.

بندولان على جدار واحد، إذا تأرجحا بشكل غير متزامن، فبعد ساعة يسيران معًا. لاحظ هذا التزامن كريستيان هويجنز في عام 1665، وهو ينظر إلى الساعات في ورشته. اليوم، يُكرَّر ملاحظته في المختبر، لكن مع فارق: البندولات ليست خشبية، بل كمومية.

غشاء رقيق من ثاني أكسيد الثوريوم بسمك 10 نانومتر فقط على قرص فولاذي. نبضة ليزر تضربه، لكن بدلاً من التوهج المتوقع، يلتقط الكاشف تيارًا من الإلكترونات. هكذا، ولأول مرة، أمكن رؤية الانتقال النووي للثوريوم-229 في مادة تمتص إشعاعها بالكامل. النواة الخفية تحدثت بلغة الإلكترونات. الانتقال النووي في الثوريوم-229 هو الأقل طاقة بين المعروفة: فقط 8.4 إلكترون فولت.

مسطرة من الضوء، هكذا يمكن تسمية الطريقة الجديدة لقياس التأخيرات الزمنية المتناهية الصغر. في عام 1987، لاحظ تشونغ كي هونغ وتشي-يو أوو وليونارد ماندل أنه إذا سقط فوتونان لا يمكن تمييزهما في وقت واحد على مقسم شعاع، فإنهما يخرجان معًا دائمًا من منفذ واحد.