مصدر ضوء السنكروترون

على خط الإنتاج في مصنع، تُخرج القطع واحدة تلو الأخرى بدقة في كل دورة. إذا كانت الدورة قصيرة وكان معدل العيوب منخفضًا، يعمل الخط بسرعة. في البصريات الكمومية، يلعب مصدر الفوتونات المفردة دور هذا الخط: يجب أن يُصدر كمًا واحدًا من الضوء بالضبط في كل دورة، وكلما زادت الدورات، زاد عدد الفوتونات التي تخرج إلى الألياف البصرية.

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.

شعاع السنكروترون الناتج عن المسرّع يشبه تيار الماء القوي من خرطوم الإطفاء: شدته عالية، لكن حجمه العرضي كبير جدًا للدراسات الدقيقة للأجسام المجهرية. لفحص عينة صغيرة، نحتاج إلى إبرة رفيعة، لا خرطومًا.

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.

يسقط حجر في بركة ماء، فتنتشر دوائر على سطحها. هكذا ينتشر الضوء القادم من المجرات البعيدة في كل الاتجاهات — بهدوء وانتظام. لكن في مركز بعض المجرات لا يختبئ حجر، بل مدفع حقيقي: يطلق جسيمات بقوة هائلة. يطلق علماء الفلك على هذه الأجسام اسم HSP BL Lac. وهي نوى مجرّات نشطة، حيث يقوم الثقب الأسود فائق الضخامة بلفّ المادة في قرص ويقذف نفاثات ضيقة من البلازما موجهة نحونا تقريبًا.

عندما تُسخن المادة إلى ملايين الدرجات، تتحول إلى بلازما — خليط من الإلكترونات الحرة والأيونات، يشبه حساءً يغلي من الجسيمات المشحونة. لا يمكن النظر إلى هذا «الحساء» بميزان حرارة عادي، ولكن يمكن تسليط الأشعة السينية عليه.

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.

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.

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.

الجسيم المشحون الذي يلفه المجال المغناطيسي لا يلتزم الصمت: فهو يُصدر ضوءًا. يُسمى هذا الضوء بالإشعاع السينكروتروني، ويوجد في كل مكان — من المجرات البعيدة إلى المسرعات المختبرية. لفهم كمية الضوء المنبعث عند كل طول موجي، يستخدم الفيزيائيون دالة خاصة — تُحسب عدديًا أو عبر معادلات تقريبية. وجد مؤلفو العمل طريقًا أنيقًا للالتفاف حول هذه المشكلة.

البلورة الرقيقة من نيتريد البورون السداسي — قريبة من الجرافيت، لكنها شفافة وعازلة. في شبكتها البلورية توجد أحيانًا عيوب مفردة: ذرة بورون أو نيتروجين مفقودة، وفي مكانها تتشكل مصيدة للإلكترونات. هذه المصيدة قادرة على امتصاص الضوء وإعادة إصداره، مثل مصباح يدوي صغير.

تدخل نبضة ليزر إلى تجويف صغير جدًا مصنوع من بلورة شفافة. داخل التجويف، يرتد الضوء بين المرايا، وأحيانًا ينقسم فوتون واحد إلى زوج: أحدهما يتجه في اتجاه، والآخر في اتجاه آخر. يصبح أحدهما إشارة، بينما يعمل الآخر بمثابة "جرس" يخبرنا بأن الفوتون المفرد جاهز. هذا المصدر لا يُصدر الفوتونات وفق جدول زمني، لكنه يخبرنا بدقة متى ظهر الفوتون المفرد.

لا يمكن التقاط أشعة إكس القادمة من النجوم بمرآة عادية، فهي تخترق الزجاج كما يخترق الضوء زجاج النافذة. لتعكسها، تحتاج إلى مرآة شبه موازية للشعاع: عندها ينزلق إكس على السطح مثل حجر مسطح على الماء، ولا يغير اتجاهه إلا قليلًا.

في مسرّع الجسيمات، تندفع الإلكترونات في حلقة بسرعة تقارب سرعة الضوء. عندما يصطدم مثل هذا الإلكترون بفوتون — جسيم ضوء — يرتد الفوتون كما ترتد الكرة عن شاحنة متحركة، وينطلق بطاقة أكبر بكثير. تُسمى هذه الظاهرة تشتت كومبتون وتُستخدم منذ زمن طويل لإنتاج أشعة غاما — وهي أكثر أنواع الضوء طاقة.

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.

يمكن تقطيع النبضة الضوئية إلى نوافذ زمنية قصيرة، مثلما يُقسَّم القطار إلى عربات. إذا وُلد فوتونان معًا وكانت عربتاهما مرتبطتين ارتباطًا صارمًا — وصول أحدهما إلى نافذة معينة يضمن أن الثاني وصل إلى النافذة المقابلة — فإن هذا الارتباط يُسمى تشابكًا زمنيًا. هذا التشابك لا يخشى القناة الباهتة: حتى عندما تُفقد بعض النبضات، تحتفظ الأزواج المتبقية بترابطها.

ينقر الليزر بتردد عشرة ملايين مرة في الثانية، وكل نقرة تُطلق من غشاء البوليستيرين فوتونًا واحدًا بالضبط. ليس حزمة ولا دفعة، بل جسيم ضوء وحيد، معبأ بدقة في المكان والزمان. المصدر هو جزيء يمكن شراؤه من كتالوج الكواشف الكيميائية: فوليرين C60، ستون ذرة كربون مطوية على شكل كرة قدم. تلك الكرة التي مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996 لتخليقها. الآن تلعب لعبة مختلفة.