إشعاع تيراهرتز

الوتر المشدود يُصدر نغمة أعلى إذا زدنا شدّه. وبطريقة مشابهة، تتصرف المغنطة في المغناطيسية المضادة: كلما زاد المجال الخارجي، زادت سرعة تذبذبها. لكن في بلورة أكسيد الكروم، حدث شيء غير متوقع. في مجالات تتراوح بين 20 و30 تسلا، يزداد تردد الرنين ببطء أكبر مما ينبغي.

السماء الليلية مليئة بالحلقات والفقاعات، لكنها في نطاق الراديو تبدو مختلفة. في بيانات التلسكوب الراديوي الأسترالي ASKAP ظهرت بنية تشبه فقاعتي صابون نُفختا من قصبة واحدة. إحداهما دائرية تمامًا تقريبًا، والأخرى تتداخل معها قليلًا، وكأنهما نُفختا بفارق ثانية واحدة.

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.

ألقِ حجرًا في الماء: عند نقطة السقوط تكون الموجات فوضوية – هذا هو المجال القريب. أبعد من ذلك تنتشر في دوائر منتظمة – هذا هو المجال البعيد. يحكم هذا المبدأ نفسه الهوائيات لاتصالات تيراهيرتز – مستقبل الإنترنت فائق السرعة. تعمل موجات تيراهيرتز على ترددات أعلى بمئات المرات من الواي فاي، وتنقل البيانات تقريبًا بسرعة الضوء.

ظلت الانفجارات الراديوية السريعة - وهي نبضات راديوية تستغرق أجزاء من الثانية وتأتي من مجرات بعيدة - لغزًا لفترة طويلة. كانت طاقتها الهائلة، المحشورة في لحظات، تشير إلى أحداث كارثية على نجوم نيوترونية، ربما نجوم نابضة أو مغنطيسات. لكن فهم أين تولد الانفجارات بالضبط وما هي البيئة المحيطة بها، كان يعيقه غياب وسيلة تشخيص مباشرة.

كومة مرتبة من الطبقات الذرية تستقر على ركيزة. من الأعلى يسقط شعاع غير مرئي من الضوء التيراهرتزي، ومن الجانب يُطبق مجال مغناطيسي. بعد الانعكاس، يدير الشعاع استقطابه قليلًا. هذا الدوران ليس عيبًا في البصريات، بل دليل مباشر: شحنة كهربائية تراكمت على سطح الغشاء. يقع الإشعاع التيراهرتزي بين الضوء تحت الأحمر والأمواج الدقيقة.

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).

عادةً، للحصول على موجات تيراهرتز (وهي ضوء يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء)، يُبنى هيكل من طبقات معدنية مختلفة. في هذا الهيكل، تعمل إحدى الطبقات كمصدر والأخرى كمستقبل للشحنات. وكان البلاتين في مثل هذه التصاميم يؤدي دور موصل بسيط. لكن اتضح أنه يمكنه العمل بمفرده أيضًا.

يسقط الضوء على غشاء رقيق، فينشأ فيه فورًا تيار كهربائي. هكذا يعمل زوج من مادتين: ثنائي كبريتيد الموليبدينوم والكوبالت. الأولى شبه موصل (semiconductor)، والثانية مغناطيسية. وبينهما، كما تبيّن، تولد طبقة وسيطة غير مرئية.

بلورة Ca2RuO4 تشبه رزمة من الأوراق الرقيقة. داخل كل ورقة، تصطفّ لفات الإلكترونات (spins) بترتيب صارم — كصفوف الجنود في الميدان. بين الأوراق يكون الترابط ضعيفاً، ويمكن قلب إشارته بمدّ البلورة قليلاً من الجانبين. عند مدّ البلورة، تتغيّر إشارة هذا التلامس البيني الضعيف، فيُعاد ترتيب النمط المغناطيسي كله.

أشعة غاما هي أكثر ومضات الضوء طاقةً التي تولد في أعماق الذرات. طاقتها تشبه بصمة الإصبع: لكل عنصر مشع نمطه الخاص. لكن قياس هذا النمط بدقة عالية يشبه وزن حبة رمل على ميزان موضوع على شاحنة تهتز. المنشأة الجديدة تعمل كمقياس حرارة فائق الحساسية.

طبقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون تشبه قرص العسل. تتحرك الإلكترونات فيها بسرعة كبيرة وكأنها عديمة الكتلة، تمامًا مثل الضوء. عندما تسقط نبضة ليزر قوية على هذه الطبقة، تتلقى الإلكترونات ركلة وتبدأ في التسارع. يمكن تشبيه مسارها بطريق تظهر فيه أحيانًا حواجز — وهي النطاقات المحظورة.

يمكن تمشيط الضوء كما نمشط الشعر. بدل الشعر لدينا الترددات، وبدل المشط لدينا الليزر. النتيجة مشط من آلاف "الأسنان"-الترددات المتساوية. هذا المشط الضوئي يساعد في دراسة الجزيئات وقياس الزمن بدقة تصل إلى أجزاء من الكوادريليون من الثانية. المشط العادي له أسنان متباعدة بشكل متساوٍ.

يقع إشعاع التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. فهو يخترق الملابس والورق والبلاستيك، لكنه يتوقف عند الماء والمعادن. لذلك تُستخدم هذه الموجات في أجهزة المسح الأمني ومراقبة جودة المواد. لكن لهذا الإشعاع خاصية أخرى وهي الاستقطاب، أي اتجاه اهتزاز الموجة. العديد من المواد تنقل الموجات ذات الاستقطابات المختلفة بطرق مختلفة، ويمكن استخدام ذلك لدراستها.

قد يبدو الانفجار نفسه مختلفًا — كل ذلك يعتمد على اتجاه الرياح. في عام 2024، فجّر الباحثون مرتين شحنات تعادل قوتها عشرة أطنان من مادة تي إن تي، وسجّلوا الصوت بشبكة من 31 ميكروفونًا موزعة على دائرة نصف قطرها 23 كيلومترًا. كان المصدر متطابقًا، لكن الصور الصوتية الناتجة كانت مختلفة تمامًا. في أكتوبر، كانت للإشارات على جميع الحساسات فترة تذبذب متقاربة.

يقع إشعاع التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. يخترق الملابس والورق والبلاستيك، لكنه لا يخترق المعادن والماء. لذلك يُستخدم في ماسحات الأمن والتصوير الطبي. لرؤية استقطاب هذا الإشعاع، نحتاج إلى كاشف. الاستقطاب هو اتجاه اهتزاز الموجة، مثل تموجات الماء التي قد تتحرك لأعلى ولأسفل أو لليسار ولليمين. ويعتمد عليه تفاعل الإشعاع مع المادة.

كوب دافئ أو يد بشرية يصدران ضوءًا غير مرئي — إشعاعًا تحت أحمر متوسطًا. كل مادة تمتص هذا الضوء بطريقة مختلفة، تاركةً «بصمة إصبع» فريدة. من خلال هذه البصمة يمكن معرفة مما يتكون الجسم دون لمسه. سابقًا، كانت رؤية هذه البصمة تتطلب ليزرات ضخمة تعمل بومضات قصيرة جدًا. كانت مكلفة ومعقدة. المنظومة الجديدة تستخدم ليزرًا بنبضات أطول — نانوثانية. هذا الليزر أصغر حجمًا وأبسط.

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.

تقع موجات التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. إنها تخترق الورق والبلاستيك والقماش، لكنها لا تخترق المعدن والماء. لذلك يمكن استخدامها لفحص الطرود دون فتحها، أو لمسح الأمتعة في المطارات. لكن أجهزة استقبال هذه الموجات كانت تُصنع حتى الآن من مواد باهظة الثمن مثل زرنيخيد الغاليوم.

الإلكترون جسيم صغير للغاية، لكنه داخل البلورة يتصرف وكأن له كتلة مختلفة. يُطلق على هذا اسم الكتلة الفعالة. لقياسها، يجعل الفيزيائيون الإلكترونات تدور في دائرة داخل مجال مغناطيسي — تمامًا مثل متزلج على الجليد في حلبة تزلج لا يُسمح له بمغادرة مداره.

هناك جزء من الضوء ظل لفترة طويلة بقعة عمياء: من 5 إلى 15 تيراهرتز. هذه ليست موجات راديوية ولا حرارة تحت حمراء، بل شيء بينهما، حيث تهتز الجزيئات بشكل مميز. باحثون من ألمانيا بنوا جهازًا يطل أخيرًا على هذه "فجوة التيراهرتز الجديدة" وحتى أبعد من ذلك — إلى ما بعد 25 تيراهرتز. السر يكمن في بلورة اسمها الطويل BNA. عندما تضربها نبضة قصيرة من الضوء تحت الأحمر القريب، تستجيب البلورة بومضة في ذلك النطاق غير المرئي.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا لا تعزف إلا في صمت تام. أي ضجيج بسيط يفتت اللحن الهش. بالنسبة للأجهزة الكمومية، الحرارة هي هذا الضجيج: حتى الإشعاع تحت الأحمر الضعيف القادم من المكونات المجاورة يسخن الكيوبتات ويمحو حالاتها الكمومية. نحتاج إلى مرشح يمرر إشارات التحكم ويخمد الأشعة الحرارية. اقترح العلماء مادة من راتنج الإيبوكسي تحتوي على كرات ياقوتية صغيرة.

التلسكوب الراديوي RATAN-600 هو حلقة من مئات الألواح الألومنيومية على منحدر جبل في قراتشاي-تشيركيسيا. في ربيع عام 2018، التقطت مرآته موجات راديوية من ستة عشر قزمًا أحمر — نجوم صغيرة وخافتة ولكنها طويلة العمر جدًا. لكل منها كواكب مشابهة للأرض في الحجم وتقع في "منطقة الحياة": ليست حارة جدًا ولا باردة جدًا، حيث يمكن أن تبقى المياه سائلة.