مطيافية المضخة-المسبار

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.

عاصفة رعدية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي تدوم أجزاء من المليون من الثانية. يصطدم شعاع كوني، وهو بروتون أو نواة هيليوم، بجزيئات الهواء، فتنطلق إلى الأسفل سرب كامل من الجسيمات. معظمها يبقى متماسكًا، لكن أحيانًا يكتسب جسيم واحد طاقة كافية ليتقدم على البقية. عندها ينقسم الوابل إلى قسمين: تظهر حدبتان في المقطع الطولي، مثل صدى مزدوج لضربة واحدة. حتى الآن، شوهدت مثل هذه الزخات المزدوجة فقط في المحاكاة.

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.

14 ثانية. هذا هو الوقت الذي يحتاجه الكود الجديد لنسج الطيف الكامل لنجم، من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة. هذا الطيف ليس مجرد قوس قزح، بل لوحة مفصلة من آلاف خطوط الامتصاص المظلمة، كل منها تركته ذرة معينة في الغلاف الجوي للنجم.

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.

تعمل المصيدة الذرّية التقليدية مثل قمع: ضوء الليزر والمجال المغناطيسي يجبران الذرات على التباطؤ والتجمع في المركز. لكن للقمع حد — فهو يلتقط فقط الذرات ذات السرعة المحددة. في التجربة الجديدة، جُعل الضوء "أوسع": أُضيفت عدة ترددات متقاربة، فأصبح القمع قادرًا على التقاط ذرات أسرع. تتصرف ذرات الروبيديوم في المصيدة مثل حشد في ساعة الذروة: كلما زادت الأبواب المفتوحة، زادت سرعة دخول الجميع.

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.

يتصرف الضوء في كاشف الجسيمات مثل الصوت في الجبال. صرخة واحدة — ويتكرر الصدى عدة مرات، يضعف مع كل انعكاس. هكذا في كاشف السيليكون: الومضة الحقيقية الناتجة عن جسيم تولد ومضات كاذبة تخلط القياسات. المضاعِفات الضوئية السيليكونية هي مصفوفات من خلايا صغيرة جدًا، كل منها قادرة على رصد فوتون واحد فقط. ولكن بعد أن تعمل الخلية، تبقى بداخلها حاملات شحنة محتجزة.

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.

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.

تستمر ومضة الليزر بضع فيمتو ثوانٍ (femtoseconds) – وكأن لحظة واحدة قُسّمت إلى مليون جزء. في هذه الومضة، تمتزج ألوان متعددة معاً، من الأحمر إلى البنفسجي. الأجهزة التي تقيس شكل الومضة كثيراً ما تخطئ: فهي ترى بعض الألوان جيداً وبعضها الآخر بشكل سيئ. ولهذا السبب، تكون الصورة الناتجة غير واضحة. يقترح مؤلفو المقال حلاً بسيطاً. يُمرَّر ضوء الومضة عبر مرشحات ملونة، مثل الزجاجات الملونة.

تحت الأرض، في منجم ذهب سابق، يوجد خزان مملوء بالزينون السائل. إذا مرّ عبره جسيم من المادة المظلمة، يومض الزينون. لكنه يومض أيضًا من الجسيمات العادية — مثل النيوترينوات أو بقايا النشاط الإشعاعي. المهمة هي معرفة أي وميض ناتج عن المادة المظلمة وأي ناتج عن الضوضاء. وجد العلماء في تجربة المادة المظلمة LZ طريقة: للوميض شكل.

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.

التلسكوب الراديوي EDA2 في عمق الريف الأسترالي — كأذن عملاقة ملتصقة بالسماء. يستمع إلى الكون عند ترددات منخفضة جدًا، من 50 إلى 250 ميجاهرتز، حيث لا تميز التلسكوبات العادية شيئًا تقريبًا. هنا تحديدًا تبدو النجوم النابضة — نجوم نيوترونية سريعة الدوران — مثيرة للاهتمام بشكل خاص: إذ تتمدد نبضاتها وتتشوه وتحكي عن ما اعترض طريقها. في هذا المسح الجديد، التقطت هذه الأذن 120 نجمًا نابضًا.

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.

شعاعا ليزر، مثل قلمي رصاص، يرسمان على الجدار مقياسًا غير مرئي. أحد الطرفين يتحرك أسرع قليلًا من الآخر، ومن خلال ملاحظة تداخل خطوطهما أو تباعدها يمكن حساب المسافة إلى الجدار بدقة تعادل سُمك خيط العنكبوت. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون هذين الشعاعين يعملان باستمرار دون توقف. عادةً، لتحقيق هذه الدقة، يجب تثبيت الليزر — كما لو كنت تمسك القلمين بأيدٍ ثابتة تمامًا.

يضرب الليزر العينة، فتبدأ الجزيئات فيها بالاهتزاز. هذا الاهتزاز يرفع حرارة المادة أجزاءً متناهية الصغر من الدرجة. كان هذا التسخين يُعد في السابق مجرد إزعاج، أما الآن فيُقرأ منه التركيب الكيميائي — تمامًا كما يُخمَن من وقع الخطى من يسير في الممر. يستخدم الفحص المجهري الضوئي الجديد زوجًا واحدًا فقط من نبضات الليزر لإحداث هذا التسخين.

الكاميرا التي لا تلتقط الضوء بل تيارًا من الإلكترونات المنعكسة عن بلورة هي كاشف بكسل هجين (hybrid pixel detector). إنه قادر على عد كل إلكترون يصطدم به، دون إحداث ضوضاء خاصة به تقريبًا. في الوضع العادي، عندما يتدفق شعاع الإلكترونات بشكل مستمر، يعمل الكاشف بشكل ممتاز.

إذا ألقيت حجرًا في بركة، ستنتشر دوائر على الماء. في بلورة مغناطيسية صغيرة أيضًا توجد موجات — لكن ما يهتز ليس الماء، بل اتجاه المغنطة. تُسمى هذه الموجات بالموجات المغزلية (spin waves). تجري عبر البلورة مثل تموجات على السطح، ويمكنها حمل المعلومات. أخذ الفيزيائيون صفيحة من حديقة الإيتريوم الحديدية — وهي بلورة برتقالية شفافة تُقدَّر لنقاء تذبذباتها المغناطيسية.

الليزر الذي نتحدث عنه ليس شعاعًا رفيعًا، بل مضمار جري كامل للضوء. داخل الألياف الضوئية يجري نبضان فائقا القصر: أحدهما في اتجاه عقارب الساعة والآخر عكسها. كل نبضة هي ومضة واحدة تدوم أجزاء من مليار من الثانية. لا يتعارضان مع بعضهما، لكنهما يلتقيان في نهاية المضمار، مثل عدّاءين انطلقا في الوقت نفسه من طرفَي الملعب. عند اللقاء، تتداخل النبضات — قممها وقيعانها تتجمع، وينتج نمط يحتوي على طيف الغاز مشفّرًا.

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.

بلورة أكسيد المغنيسيوم تشبه صفًا من الجنود: الذرات تقف في صفوف منتظمة، والإلكترون يجري بينها. ولكن بمجرد أن يتباطأ الإلكترون، تزيح الذرات القريبة قليلًا عن أماكنها — وكأن الجيران في الصف يلتفتون برؤوسهم. يجد الإلكترون نفسه في حفرة من الذرات المزاحة، ولم يعد قادرًا على التحرك بحرية. هكذا يولد البولارون — جسيم يجر خلفه سحابة من اهتزازات الشبكة البلورية.

حتى في شعاع الليزر المتماسك تمامًا توجد لاحتمالية أساسية — ضوضاء كمومية، تنشأ من تموجات الفراغ في المجال الكهرومغناطيسي. تعلم الفيزيائيون «ضغط» هذه الضوضاء، مثل بالون يُعصر في وسطه: تموجات السعة أو الطور تُخمد في اتجاه تربيعي واحد، وتزداد حتمًا في الاتجاه المتعامد.

الليزر العادي يُصدر الفوتونات واحدًا تلو الآخر، مثل صنبور يقطر ماءً. ولكن ماذا لو احتجنا عدة جسيمات ضوئية تولد في اللحظة نفسها؟ الفيزيائيون جعلوا سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة تُصدر أربعيات من الفوتونات — كما لو أن الصنبور فجأة يُخرج أربع قطرات دفعة واحدة، وكل قطرة تسقط في أنبوب اختبار خاص بها. تُبرَّد السحابة إلى ما يقارب الصفر المطلق، بحيث تكاد الذرات لا تتحرك.

داخل كل خلية حية تحدث تحولات كيميائية باستمرار. بعضها ينتج جسيمات غير مستقرة، تتصرف إلكتروناتها مثل مغناطيسات صغيرة مزدوجة. تفاعلها يشبه رقصة: كل حركة للزوج تستجيب للمجالات المغناطيسية الخارجية، كإيقاع متغير. كانت رؤية هذه الرقصة مباشرة متعذرة بسبب خفائها. أما الآن، فيقوم العلماء بتسليط زوج من ومضات الليزر فائقة القصر على الخلية.