مطيافية التيراهرتز

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.

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.

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.

عندما يمر الضوء عبر سائل عكر، مثل كوب من الماء المخلوط بالطين، فإنه يضعف — إذ تُمتص بعض الفوتونات بواسطة جزيئات الوسط. على هذا المبدأ تعمل العديد من الأجهزة لتحليل السوائل: بقياس نسبة الضوء المفقود يمكن الاستدلال على التركيب. لكن إذا كان الوسط غير متجانس، مثل حساء يحتوي قطعًا من الخضروات، فإن رقمًا إجماليًا واحدًا لا يكفي: من الضروري معرفة أين يكون الامتصاص أقوى وأين يكون أضعف.

الجرس لا يرن من ضربة، بل من ارتعاش عابر في الفضاء. الموجة الثقالية — مثل تموج على سطح بركة — تمر عبر مغناطيس ضخم، فيتشوه قليلاً. يمكن تحويل هذا التشوه إلى إشارة كهربائية. لكن المغناطيس العادي بحقل منتظم يشبه ميكروفوناً لا يسمع إلا الصراخ العالي.

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.

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).

كاشفات الموجات الثقالية هي ميكروفونات تستمع إلى ارتجاف الفضاء. لكن ضجيجها الداخلي يطغى على الإشارات الضعيفة. ولسماع المزيد، يضيف الفيزيائيون إلى الجهاز ضوءًا "مضغوطًا" خاصًا: فهو يقلل التشويش الكمومي، مثلما تفعل خاصية تقليل الضوضاء في سماعات الرأس. غير أن هذا الضوء يمر عبر مرايا الكاشف، فتشوهه قليلاً — مثلما يشوه الزجاج المعوج الصورة. وجد العلماء نوعين من التشوهات.

المادة المظلمة هي كتلة غير مرئية تمسك المجرات معًا. طبيعتها غير معروفة، لكن أحد المرشحين المحتملين هو الأكسيون، وهو جسيم فائق الخفة لا يكاد يتفاعل مع المادة. للإمساك به، ابتكر الفيزيائيون مصيدة هجينة. اكتشفت عالمة الفلك فيرا روبين في سبعينيات القرن الماضي أن النجوم عند أطراف المجرات تتحرك بسرعة كبيرة جدًا.

تمر الموجات الراديوية التي تتأرجح أقل من مرة واحدة في الثانية عبر الأرض والماء دون خسائر تذكر. تُستخدم هذه الإشارات للاتصال بالغواصات والبحث عن المعادن. لكن الهوائي العادي لهذه الموجات يحتاج إلى طول مئات الأمتار، وحساسيته تترك الكثير مما هو مرغوب فيه. اقترح الفيزيائيون استبدال الهوائي بسحابة من ذرات الروبيديوم في قارورة زجاجية.

الضوء الذي لا نراه لكننا نشعر به كحرارة، تبيّن أنه مفتاح حياة الخلايا. يستخدم مجهر من نوع جديد موجات طولها 2000–2500 نانومتر — أي أطول بثلاث مرات من الضوء الأحمر — وهذه الموجات لا تتشتت تقريبًا في الأنسجة. وبفضل ذلك، يخترق الجهاز عمق الكرة الورمية، مثل مصباح يدوي يخترق زجاجًا مصنفرًا، ويضيء الجزيئات الفردية.

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.

في إطار النسبية العامة، تنبأ ألبرت أينشتاين بـالموجات الثقالية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تنتشر بسرعة الضوء.

الفرن الملتهب في ورشة العمل أو العادم الساخن للتوربين ليس مجرد حرارة، بل هو ضوء لا تراه العين البشرية. الألواح الشمسية العادية تلتقط الضوء المرئي، لكن هنا نحتاج إلى مستقبل للإشعاع الحراري غير المرئي. مجموعة من الباحثين تمكنت لأول مرة من بناء مثل هذا المستقبل من سبيكة الجرمانيوم مع القصدير، وهي مادة يمكن زراعتها مباشرة على رقائق السيليكون، تمامًا مثل رقائق الكمبيوتر العادية.

الضوء في الماء العكر يتصرف كإنسان في ضباب كثيف: كل خطوة تصادم، والصورة تتلاشى. لهذا السبب لا يرى المجهر العادي عبر الجلد أو الحليب. وجد المهندسون طريقًا بديلًا — النظر في نطاق الأشعة تحت الحمراء، حيث يقل تصادم الضوء مع الجسيمات. قاموا ببناء مجهر بلا عدسات — جهاز لا تُبنى فيه الصورة بعدسة زجاجية بل بخوارزمية حاسوبية.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.

الضوء الذي يمر عبر الغاز يترك على الطيف خطوطًا داكنة رفيعة — آثارًا للامتصاص. جزيئات الأسيتونتريل، التي تشبه هوائيات صغيرة، لا تستجيب إلا لترددات محددة بدقة. لكن عندما تكون هذه الخطوط كثيرة ومتقاربة، تتداخل الإشارات مع بعضها، مثل أصوات في غرفة مزدحمة. ولهذا تبدأ الساعات القائمة على الجزيئات في الخطأ. طبق العلماء حيلة ذكية: جعلوا الإشارة تبدو كثلاث نغمات تُعزف في وقت واحد، لكن بطبقات مختلفة قليلًا.

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.

وتر الغيتار الذي تُلمسه إصبعك يهتز، ويهتز الهواء حوله ناقلاً الاهتزاز إلى أذنك. أما الزمكان فيهتز بشكل مختلف: فعندما تمر موجة ثقالية عبره، يتمدد وينضغط قليلاً. رصد مثل هذا الاهتزاز على ترددات تتراوح بين 10 كيلوهرتز و100 ميغاهرتز هو مهمة تتطلب بناء كاشفات من نوع جديد. الأساس هو تجويف راديوي فائق التوصيل.

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.

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.

غشاء رقيق من مركب البزموت والسيلينيوم موضوع على ركيزة. تضربه ومضة ليزر تدوم جزءًا من مليون من مليار جزء من الثانية. وبجانبه مغناطيس مجاله أضعف من مجال مغناطيس الثلاجة. وفي تلك اللحظة، ينشأ في الغشاء تيار كهربائي تلقائيًا، عمودي على المجال المغناطيسي. هذا التيار لا يسري في أسلاك – بل يُرصد نشوءه من خلال موجة تيراهرتز تنبعث من العينة.

في أكتوبر 2022، قاس مرصد LHAASO الطيف — أي توزيع الطاقات — لـانفجار أشعة غاما GRB 221009A، وهو الأكثر سطوعًا في تاريخ الرصد. ضوء هذا الانفجار، بعد أن قطع ملياري سنة ضوئية، كان شديدًا لدرجة أنه عطّل الغلاف الأيوني للأرض.