تمكن علماء معهد وايزمان لأول مرة، وبدقة أتو ثانية، من قياس الخصائص الموجية لومضات الضوء فائقة السرعة التي تنشأ عن اصطدام الإلكترونات بالذرات
إحدى الظواهر الأساسية في ميكانيكا الكم تحدث عندما يضرب الضوء المادة ويحرر إلكترونًا منها. العملية المعروفة باسم التأثير الكهروضوئي هي بالنسبة للفيزيائيين نافذة على عالم الكم، حيث أن الحالة الكمومية للمادة تنعكس في تلك الإلكترونات الحرة، مما يجعل من الممكن قياسها. ومع ذلك، فإن هذه العملية هي واحدة من أسرع العمليات في الطبيعة - فهي تتطور على مدى عدة عشرات أو مئات من الأتو ثانية (مليار من المليار من الثانية)، لذا فإن أي محاولة لقياسها بشكل مباشر تمثل تحديًا كبيرًا. أظهرت البروفيسورة نيريت دودوويتز وفريقها البحثي في معهد وايزمان للعلوم مؤخرًا مخططًا "مقلوبًا" لفحص الخصائص الكمومية للإلكترونات المنبعثة.
يقول البروفيسور دودوويتز، من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة: "عادةً ما يقوم الفيزيائيون بفحص الحالة الكمومية للمادة عن طريق استخراج إلكترون باستخدام فوتون نشط، لكن هذا النهج يؤدي إلى فقدان معلومات مهمة". "لقد قمنا بعكس الترتيب بالكامل باستخدام عملية تعرف باسم إعادة التركيب الضوئي. بينما يقوم آخرون بقياس الإلكترون الذي يطلقه الفوتون، فإننا نقيس الفوتون المنبعث عندما يصطدم الإلكترون بالذرة ويتحد الاثنان مرة أخرى. وهذان وجهان لعملة واحدة، ولكن اتضح أن القدرة على قياس الفوتون المنبعث - وهو وميض ضوئي سريع للغاية - توفر الوصول إلى المعلومات التي كان من المستحيل الوصول إليها في السابق.
وقد تم بالفعل حساب هذه المراحل، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتم قياسها فيها. لقد كانت تجربة مثيرة - لاكتشاف أن لدينا القدرة على قياس مثل هذه الظواهر الأساسية في الفيزياء بشكل مباشر.
يعتبر مختبر البروفيسور دودوفيتز مناسبًا بشكل خاص لهذا النوع من الأبحاث، حيث أنه متخصص في طرق القياس المتقدمة التي تسمح بدراسة الظواهر فائقة السرعة بدقة أتوثانية. وبما أن الحالة الكمومية للمادة تنعكس في الخصائص الموجية لهذه الومضات السريعة من الضوء، فقد بحثت مجموعة البحث عن طريقة لقياس هذه الخصائص - الطول الموجي، سعتها، والطور. عادةً ما يتم إجراء قياسات الطور بمساعدة مقياس التداخل، وهو جهاز موجود تقريبًا في كل مختبر يتعامل مع الفيزياء البصرية. يفحص مقياس التداخل أنماط تداخل الموجات - مثل موجات الضوء أو موجات الجسيمات المشحونة - ويستخدم أنماط التداخل للكشف عن طبيعة الظواهر الكمومية التي خلقت تلك الموجات.
في أحد الأيام منذ حوالي عامين، اتصل بها أحد طلاب البروفيسور دودوفيتز، دورون أزوري، بحماس. كشفت إشارة غير متوقعة ظهرت أثناء اختبار المعايرة الروتينية عن علامة خافتة للتداخل بين ومضتين أتوثانية. وقد حفز هذا الاكتشاف العرضي أعضاء المجموعة على إجراء تحسينات كبيرة على الإعداد التجريبي، حتى تمكنوا من الوصول إلى مستوى جديد من الدقة. وهكذا أدركت المجموعة أن التداخل الذي لاحظوه كان نتيجة اتحاد الإلكترونات مع ذراتها في عملية إعادة التركيب الضوئي. وأدركوا أيضًا أن الطريقة دقيقة جدًا بحيث يمكن استخدامها ليس فقط لمراقبة إعادة توحيد الإلكترون والذرة، ولكن أيضًا لقياسها. قام عازوري والبروفيسور دودوفيتز وأعضاء فريق البحث الدكتور مايكل كروجر وعمر نيلر بتصميم إعدادات تجريبية تهدف إلى قياس خصائص الموجة. تظهر نتائج سلسلة من التجارب، التي نُشرت مؤخرًا في المجلة العلمية Nature Photonics، أن قياسات الطور سمحت للمجموعة بقياس التأثير الكهروضوئي بشكل كامل.
"لقد تم حساب هذه المراحل بالفعل، ويمكنك العثور على هذه الأرقام في الكتب المدرسية. ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها قياسها بشكل مباشر ودقيق. وقمنا بقياسها بدقة أتو ثانية، وتطابقت القياسات مع الحسابات تمامًا. لقد كانت تجربة مثيرة للغاية - أن نكتشف أن لدينا القدرة على قياس مثل هذه الظواهر الأساسية في الفيزياء بشكل مباشر. ومن المأمول أن تكون نتائجنا بمثابة منصة لاكتشاف ظواهر جديدة فائقة السرعة في أنظمة أكثر تعقيدًا".
أتو ثانية يساوي 10-18 الثاني؛ وهذا هو، المليار الثاني من المليار
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
هل يمكن أن يؤدي التعامل مع مثل هذا القرار إلى تحسين مرصد LIGO؟