أقصر وأسرع

عندما يتم فحص طول موجات الضوء المرئي، يصبح من الواضح أنه لن يتمكن أي اختراع تكنولوجي من استخدامها لإنشاء ومضات أقصر من الفيمتو ثانية.
يكمن مفتاح التغلب على هذا القيد في التفاعل بين ضوء الليزر والمادة.

العلماء، مثل الرياضيين، يختبرون حدود القدرة البشرية. ما مدى السرعة التي يمكن للإنسان أن يركض بها؟ الى اي مدى؟ ما مقدار الجهد الذي يستطيع التركيز عليه في وقت قصير؟ ومن ناحية أخرى، إلى أي مستوى يمكن توثيق وفهم العمليات السريعة جدًا؟

على سبيل المثال، عندما "ينتزع" إلكترون من الجزيء، فإن الإلكترونات المتبقية تعيد تنظيم نفسها للحفاظ على توازن الشحنات الكهربائية في الجزيء. كيف تتم عملية إعادة التنظيم؟ كم من الوقت تستغرق؟ في الماضي، حل العلماء هذه الأسئلة بالقول إنه بعد "إزالة" الإلكترون من الجزيء، تخلق الإلكترونات المتبقية "على الفور" توازنًا جديدًا. تعكس عبارة "على الفور" حقيقة أن أنظمة المراقبة المتاحة للعلماء أظهرت التكوين الفوري لمصفوفة إلكترونية جديدة، دون مراحل وسيطة. لكن هذه الحقيقة مجرد مثال آخر على الطريقة التي تحد بها القيود التكنولوجية من البحث العلمي.

لمتابعة العمليات السريعة في الجزيئات، مثل التفاعل الذي ينكسر فيه جزيء واحد وينقسم إلى جزيئين أصغر، يستخدم العلماء ومضات الليزر السريعة، التي تكون بمثابة نوع من "الكاميرات" التي تلتقط و"تجمد" العمليات الجزيئية، تمامًا كما تجمد كاميرات المصورين الرياضيين لاعبي كرة السلة العائمين في طريقهم لـ"حلقة" كرة في السلة، أو كما يسجل المصورون الفنيون تأثير كرة بندقية في كوب زجاجي. وبما أن العملية الطبيعية قيد التحقيق تتم بسرعة أكبر، فإن "كاميرا" الليزر المطلوبة لغرض "تجميد" مراحل العملية يجب أن تنتج ومضات ليزر أقصر وأسرع. لعدة سنوات، كانت أسرع أجهزة الليزر المتاحة للعلماء قادرة على إنتاج ومضات تدوم عدة أجزاء من المليون من المليارات من الثانية ("الفيمتو ثانية").
وهي ومضات سريعة للغاية، مما يجعل من الممكن دراسة التفاعلات الجزيئية. لكن حركة الإلكترونات في الذرة أو الجزيء تحدث في فترات زمنية أقصر. للتحقيق في هذه الحركة و"تجميدها"، كانت هناك حاجة إلى "كاميرات" أسرع. وهنا، توقفت الأعمال بشكل أو بآخر لبضع سنوات، وتقول الدكتورة نيريت دودوفيتش، التي انضمت إلى قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان: "إن الحد من قدرات الليزر ينبع من حاجز أساسي". العلوم منذ حوالي عامين. "إن أقصر وميض ليزر يمكن إنتاجه يقتصر على طول دورة واحدة من موجة الضوء. وعندما تنظر إلى طول موجات الضوء المرئي، يصبح من الواضح أنه لا يمكن لأي اختراع تكنولوجي استخدامها لإنشاء ومضات أقصر من الفيمتو ثانية."

يكمن مفتاح التغلب على هذا القيد في التفاعل بين ضوء الليزر والمادة. تبدأ التجربة بتفعيل ومضات ليزر قوية تدوم لبضعة فمتوثانية. مثل هذا الإشعاع، الذي يتم إرساله نحو جزيئات معينة، قد "يمزق" أحد الإلكترونات المتحركة في الجزيء، مما قد يسمح للإلكترون "بالهروب" والذهاب في "رحلة قصيرة" - وهي ظاهرة كمومية تسمى "النفق". وكما يحدث في العديد من الحالات الأخرى في الحياة، فإن "الرحلة القصيرة" تعيد الإلكترون إلى جزيئه الأصلي. عندما يعود الإلكترون الذي ذهب في "رحلة" ويدخل إلى الجزيء، فإنه يتسبب في انبعاث فوتون (جسيم ضوء) بطول موجي أقصر بكثير من طول موجة الضوء المرئي. تتم العملية برمتها خلال فترة زمنية أقصر من طول دورة موجة الضوء. مكنت هذه الطريقة من إنتاج أشعة الليزر التي "تطلق" ومضات بطول عشرات "الأتو ثانية" (الأتو ثانية هي جزء من مليار مليار من الثانية). مثل هذه الليزرات قادرة على تصوير و"تجميد" حركة الإلكترونات في الذرات أو الجزيئات، مما خلق مجالًا جديدًا للبحث حيث يمكن، من خلال سلسلة سريعة من الصور الفوتوغرافية، متابعة التغيرات في موضع الإلكترونات في الأنظمة المختلفة . على سبيل المثال، تسجيل المراحل المختلفة في حركة الإلكترونات في عملية تحطيم جزيء معين.

لكن الدكتورة دودوويتز أخذت سؤالها البحثي خطوة أخرى إلى الأمام. وتقول: "فكرت في سبب استخدام الليزر لتتبع الجزيئات الأخرى، إذا كان بإمكاني دراسة عملية انبعاث الضوء من الجزيء الذي يعتمد عليه الليزر نفسه". بمعنى آخر، إنها نوع من الصورة الذاتية. يقوم الجزيء الذي ينبعث من الفوتونات السريعة بتصوير العملية التي تعمل فيها إلكتروناته وتتحرك أثناء عملية الانبعاث. السؤال المطروح أمام الدكتورة دودوفيتش وأعضاء مجموعتها البحثية هو، كيف يمكن جعل الإلكترونات "الممزقة" التي "تذهب في رحلة" تعود وتضرب الجزيء أو الذرة من اتجاهات مختلفة (وهو ما يعادل الصور الفوتوغرافية من أماكن مختلفة) زوايا تظهر أقسام مختلفة من الجزيء)؟

الجواب الذي يصفونه في مقال نشر مؤخرا في المجلة العلمية Nature Physics، يعتمد على القدرة على التحكم في مسار الإلكترون قبل عودته إلى الذرة. ومن خلال تغيير استقطاب الإشعاع الذي "يمزق" الإلكترون من الذرة، تمكن العلماء من التحكم في الاتجاهات التي تعود منها الإلكترونات من "رحلاتها"، وهو ما يعني التقاط صورة للذرة التي ينبعث منها ضوء الليزر من مصادر مختلفة. الزوايا أثناء الانبعاث نفسه. تشبه هذه الطريقة إلى حد ما تشغيل أنظمة التصوير الطبي المختلفة. وبهذه الطريقة، تمكنت الدكتورة دودوفيتش وأعضاء مجموعتها من وصف توزيع الإلكترونات في الذرة. وتقول: "في المستقبل، نهدف إلى قياس الوقت أيضًا، ودمجه مع قياسات مواقع الإلكترونات. وبالتالي، بدلاً من الصورة المجمدة، سنحصل على نوع من الفيلم الذي يسجل حركة الإلكترونات في العمليات المختلفة للتفاعلات الكيميائية المختلفة.