ضوء جديد في نهاية النفق

لا تعد الممرات أدوات فعالة في المطبخ فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا لتركيز الضوء بشكل فعال. في هذه الحالة، يكون القمع عبارة عن قمع نانو، أي أنه أصغر حجمًا بعدة مرات

إذا أردنا تجنب انسكاب السوائل عندما نسكبها في مطبخنا، فسنستخدم القمع. لا تعد الممرات أدوات فعالة في المطبخ فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا لتركيز الضوء بشكل فعال. في هذه الحالة، يكون القمع عبارة عن قمع نانو، أي أنه أصغر حجمًا بعدة مرات.

تمكن الآن فريق دولي من العلماء من كوريا وألمانيا والولايات المتحدة الأمريكية من تركيز طاقة نبضات الأشعة تحت الحمراء باستخدام قمع نانوي واستخدام هذه الطاقة المركزة لإنشاء ومضات عالية التركيز من الضوء فوق البنفسجي. هذه الومضات، التي تتكرر 75 مليون مرة كل ثانية، استمرت لبضعة فمتوثانية فقط. وستكون هذه التقنية الجديدة قادرة على المساعدة في المستقبل في قياسات حركة الإلكترونات وستسمح بدقة عالية جدًا من حيث المكان والزمان.

الضوء هو شكل قابل للتحويل - قد تتغير الأطوال الموجية التي يتكون منها عندما تتلامس مع مادة ما، عندما يكون نوع المادة وشكلها مهمًا لتحويل التردد. تمكن فريق دولي من العلماء الآن من تغيير موجات الضوء باستخدام قمع نانوي مصنوع من معدن الفضة. قام العلماء بتحويل نبضات الليزر (الفيمتو ثانية = جزء من المليون من المليار من الثانية) في النطاق الطيفي للأشعة تحت الحمراء إلى ومضات من الضوء في النطاق الطيفي للأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV). وتستخدم ومضات الليزر التي يستخدم فيها هذا النوع من الإشعاع في مجال الفيزياء لدراسة الذرات والجزيئات.

ويمكن تحويل الأشعة تحت الحمراء إلى أشعة فوق بنفسجية متطرفة من خلال عملية تعرف بالتوليد التوافقي العالي، والتي من خلالها تتعرض الذرات لمجال كهربائي قوي ينشأ من نبضات الليزر للأشعة تحت الحمراء. يجب أن تكون هذه الحقول على نفس مستوى شدة الحقول التي تربط الذرات نفسها ببعضها البعض. يسمح استخدام هذه الحقول بتحريك الإلكترونات بعيدًا عن الذرات وتسريعها بأقصى سرعتها نحو الذرات. وينتج عن تأثيرها على الذرات إشعاعات نشطة بشكل خاص في النطاق الطيفي للأشعة فوق البنفسجية القصوى.

ومن أجل الحصول على المجالات الكهربائية القوية اللازمة لإنتاج هذا الإشعاع، استخدم فريق البحث الآن قمعًا نانويًا لتركيز المجال الكهربائي للإشعاع. وباستخدام تقنيتهم ​​الجديدة، تمكن الباحثون من إنتاج مصدر قوي للأشعة فوق البنفسجية الشديدة بأطوال موجية تبلغ 20 نانومتر. يُظهر مصدر الإشعاع الجديد معدل نشاط مرتفع للغاية لم يتم تحقيقه من قبل: تتكرر ومضات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة 75 مليون مرة في الثانية.

كان جوهر التجربة عبارة عن قمع مخروطي الشكل، صغير الحجم، لا يتجاوز طوله بضعة ميكرومترات، مصنوع من معدن الفضة ومملوء بغاز الزينون. وكان سمك طرف القمع (الطرف الضيق) يبلغ 100 نانومتر فقط. تم توجيه نبضات الأشعة تحت الحمراء نحو مدخل القمع وانتقلت داخله نحو المخرج الضيق للغاية. تسببت القوى الكهرومغناطيسية للإشعاع في تذبذب الإلكترونات داخل القمع. كانت الجدران الداخلية للقمع مكونة من مناطق معدنية موجبة وسالبة الشحنة بالتناوب، وبالتالي خلق مجالات كهرومغناطيسية جديدة داخل القمع. تتحرك هذه الحقول نحو الطرف الضيق من القمع عندما يسمح شكلها المخروطي بتركيز هذه الحقول. "قد يكون المجال الذي تم الحصول عليه داخل القمع أقوى بمئات المرات من المجال الأصلي للأشعة تحت الحمراء. يوضح البروفيسور مارك ستوكمان، أحد علماء الأبحاث، أن هذا المجال القوي المضخم هو الذي ينتج الأشعة فوق البنفسجية الشديدة في غاز الزينون.

وللقمع النانوي وظيفة أخرى، حيث تعمل الفتحة الضيقة عند مخرجه بمثابة "بوابة" للأطوال الموجية للضوء. ليست كل فتحة تسمح بمرور الضوء من خلالها، فإذا كانت الفتحة أصغر من نصف الطول الموجي للضوء، يظل الجانب الآخر مظلمًا. ولم تسمح فتحة القمع، التي يبلغ حجمها 100 نانومتر، بمرور ضوء الأشعة تحت الحمراء الذي يبلغ طوله 800 نانومتر. ومن ناحية أخرى، تمكنت الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة التي تم إنشاؤها حديثًا، والتي يبلغ طولها 20 نانومترًا فقط، من المرور عبرها. يوضح أحد شركاء البحث: "يعمل القمع كمرشح فعال للطول الموجي: فقط الأشعة فوق البنفسجية القصوى يمكنها المرور عبر فتحة القمع الضيقة".

ويضيف أحد الباحثين: "نظرًا لأطوالها الموجية المنخفضة وقصر فترات نبضاتها، تعد ومضات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة وسيلة مهمة لدراسة ديناميكيات الإلكترونات في الذرات والجزيئات والمواد الصلبة". الإلكترونات هي أجسام سريعة للغاية، ومن أجل فحص حركتها، هناك حاجة إلى ومضات قصيرة من الإشعاع من المقياس الزمني للحركة نفسها. يقول أحد الباحثين: "نعتقد أن القمع النانوي الجديد الخاص بنا سيجعل من الممكن الوصول إلى نطاق زمني مناسب لمثل هذه الأبحاث".

يعد معدل تكرار الومضات أيضًا مهمًا بشكل خاص، على سبيل المثال لتطبيق الأشعة فوق البنفسجية القصوى في التحليل الطيفي الإلكتروني على الأسطح. تتنافر الإلكترونات مع بعضها البعض من خلال قوى كولومية. ولذلك فمن الضروري تحديد الظروف التجريبية بحيث يتم الحصول على إلكترون واحد في كل نبضة ليزر. ويوضح الباحث: "من أجل إجراء تجارب بدقة عالية في محور الفضاء ومحور الزمن، هناك حاجة إلى مصدر إشعاع فوق بنفسجي شديد مع معدل تكرار مرتفع". سيكون المزيج المبتكر بين تكنولوجيا الليزر وتكنولوجيا النانو، المتأصل في القمع النانوي الجديد، قادرًا على المساعدة في المستقبل في إنتاج مقاطع فيديو تظهر فيها الحركة السريعة للغاية للإلكترون على السطح، مع إمكانية الفصل التي لم يتم تحقيقها من قبل الى الآن.
أخبار الدراسة