يسر الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم أن تعلن عن 3 أكتوبر ذلك جائزة نوبل في الفيزياء 2023 سيتم منحها للعلماء المتميزين بيير أغوستيني, فيرينك كراوسز وآن لويلير لمساهماتهما الرائدة في توليد وتطبيق نبضات ضوء الأتو ثانية, تقنية ثورية تتيح لك استكشاف العالم المجهري بدقة غير مسبوقة.
جدول المحتويات
- ما هي ليزر الأتو ثانية والأتوثانية؟?
- نبضات ضوء الأتو ثانية تعزز البحث العلمي
- آفاق تطبيق بصريات الأتوثانية في المجال الطبي
- آفاق ليزر الأتو ثانية كدفعة للعصر الجديد لتكنولوجيا المعلومات الإلكترونية
- تأثير تقنية الأتوثانية على صناعة الطاقة
- التأثير العميق لتقنية الأتوثانية على مستقبل البشرية
ما هي ليزر الأتو ثانية والأتوثانية؟?
الأتو ثانية هي وحدة زمنية تساوي جزءًا من مليار جزء من مليار جزء من الثانية., والذي يتم التعبير عنه بـ 10^(-18) ثواني. على عكس البيكو ثانية والفيمتو ثانية, وهي معايير في قياس الوقت, توفر الأتو ثانية دقة أكبر بكثير, مما يسمح بمراقبة الأحداث والحركات السريعة والعابرة للغاية. البحث في الأتو ثانية له أهمية كبيرة, حيث أنها توفر للعلماء أداة وطريقة جديدة تمامًا لاستكشاف القوانين والخصائص المتعمقة التي تحكم حركة الجسيمات المجهرية في عالم المادة..
غالباً, يربط الناس الليزر بالألوان, ولكن في الواقع, يتم تحديد لون الليزر من خلال تردده أو طوله الموجي. هناك علاقة بسيطة بين تردد الليزر وطوله الموجي, وناتجها يساوي سرعة الضوء. للخبراء في هذا المجال, يتضمن وصف الليزر معلمة حرجة: مدة النبض, المعروف أيضا باسم عرض النبض.
تشير مدة النبضة إلى الفاصل الزمني بين نبضات الليزر, ذلك بالقول, الفترة التي تفصل بين كل انبعاث ليزر. بدءًا, ينبعث الليزر الضوء بشكل مستمر, مثل نهر الماء الذي يتدفق دون انقطاع. لكن, اكتشف العلماء ذلك عن طريق تقسيم انبعاث الليزر إلى نبضات, كان من الممكن الحصول على قوة أكبر. كلما كانت مدة نبضة الليزر أقصر, كلما زاد تردد انبعاثها و, بالتالي, كلما زادت طاقة كل نبضة ليزر.
ليزر الأتو ثانية
ليزر الأتو ثانية هو الليزر ذو أقصر فترة زمنية صنعتها البشرية على الإطلاق, وهو الإنجاز الذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام لمبدعيه. تتضمن تقنية توليد ليزر الأتو ثانية تأثير ليزر الفيمتو ثانية على غاز خامل, مما يؤدي إلى توليد ليزر الأتو ثانية مع مدة نبضة أقصر. تولد الغازات الخاملة الصادمة المختلفة أنواعًا مختلفة من ضوء الأتو ثانية.
بعبارات ملموسة, تعتمد هذه التقنية على التفاعل غير الخطي بين الليزر والمادة. عندما يضرب ليزر قوي جزيئات الغاز, يزيل الإلكترونات من نوى الذرة, خلق البلازما. يتم تسريع هذه الإلكترونات بواسطة مجال الليزر ثم تنجذب مرة أخرى إلى النواة, إطلاق أشعة سينية عالية الطاقة. هذه الأشعة السينية هي نبضات ضوئية تبلغ الأتو ثانية, التي لديها وتيرة عالية والتماسك, مما يسمح لها بالمرور عبر المادة وإجراء تفاعلات مكثفة مع الإلكترونات.
بحث في الأتوثانية
بدأت أبحاث الأتوثانية تحظى باهتمام ودراسة واسع النطاق في أواخر القرن العشرين وأوائل القرن الحادي والعشرين.. في 1999, حصل العالم أحمد زويل على جائزة نوبل في الكيمياء لأبحاثه في التحليل الطيفي للفيمتو ثانية, يمثل علامة فارقة هامة في أبحاث الأتوثانية. ثم, مع تطوير وتطبيق أشعة الليزر فائقة القصر والقوة, حصلت هذه التقنية على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2018. هذا العام, تم الاعتراف بالبحث في مجال ليزر الأتو ثانية مرة أخرى بجائزة نوبل في الفيزياء, التأكيد على أهميته في العلم.
في الوقت الحاضر, أقصر نبضات بصرية في العالم الأخيرة 53 أتوثانية و 43 أتوثانية. وحدة الزمن هذه سريعة الزوال بحيث يمكن وصفها بعدة طرق مثيرة للاهتمام.. علي سبيل المثال, مستوى الأتو ثانية, المسافة التي يمكن للضوء أن يقطعها هي فقط طول جزيء الماء.. هناك طريقة أخرى لتوضيح مدى زوالها وهي المقارنة 1 الأتو ثانية مع 1 ثانية, وهو ما يعادل المقارنة 1 والثاني مع عمر الكون, تسليط الضوء على الإيجاز والمقياس الزمني الصغير للأتوثانية.
نبضات ضوء الأتو ثانية تعزز البحث العلمي
لقد زودت تقنية نبض الأتوسيكوند الضوئي المجتمع العلمي بأداة لا مثيل لها لمراقبة حركة الإلكترونات والتحكم فيها, مما أتاح التقدم في فهم العمليات السريعة والمعقدة في هذا الشأن. تمتد تطبيقاتها إلى مجموعة واسعة من التخصصات:
فيزياء الذرات والجزيئات
تُستخدم نبضات الأتو ثانية لدراسة التركيب الإلكتروني وديناميكيات الذرات والجزيئات, بما في ذلك عمليات مثل تصوير مدارات الإلكترون, التأين والإثارة.
فيزياء الحالة الصلبة
يتم تطبيق هذه النبضات لدراسة الخصائص الإلكترونية, الصوتية والمغناطيسية في المواد الصلبة, مما يسمح بالتحقيق في التغييرات فائقة السرعة في هذه الخصائص.
حركية التفاعلات الكيميائية
ويستخدمها العلماء لدراسة الآليات المجهرية للتفاعلات الكيميائية, والذي يتضمن فهم إحداثيات رد الفعل, الحالات الانتقالية ومعدلات التفاعل.
الفيزياء الحيوية الجزيئية
تُستخدم هذه التكنولوجيا لدراسة بنية ووظيفة الجزيئات البيولوجية, والتي لها تطبيقات في دراسة البروتينات والجزيئات الأخرى الضرورية للحياة.
علم النانو
يسمح لك بالتحقيق في الظواهر البصرية على المقياس النانومتري, مثل البلازمونات السطحية والاستجابات البصرية للبنى النانوية.
علم الأشعة السينية
تُستخدم نبضات الأتوثانية لتوليد أشعة سينية عالية اللمعان, والتي تتيح الدقة الزمنية والمكانية في تقنيات الأشعة السينية.
آفاق تطبيق بصريات الأتوثانية في المجال الطبي
في مجال الطب والبيولوجيا, تم استخدام بصريات الأتو ثانية على نطاق واسع في التصوير, تحليل وتشخيص الخلايا والأنسجة.
توفر تقنية التصوير الأتوسيكوند صورًا ثلاثية الأبعاد عالية الدقة تسمح بمراقبة البنية المجهرية ووظائف الخلايا والأنسجة. علي سبيل المثال, يسمح مجهر الأتوسيكوند بمراقبة الحركات الجزيئية والتفاعلات الكيميائية داخل الخلايا, مما يسهل دراسة التمثيل الغذائي الخلوي ونقل الإشارات. بجانب, يُستخدم تصوير الأتوسيكوند لفحص نشاط الخلايا العصبية ووظيفة المخ, مما يسمح بمراقبة الإشارات الكهربائية العصبية وإشارات الكالسيوم, ويسهل دراسة إدراك الدماغ وسلوكه.
كملاذ أخير, سوف تساعد نبضات ضوء الأتو ثانية على الفهم, على المستوى المجهري (من حيث حركة الإلكترون), الاسباب, تطور وتكوين الأمراض الأساسية. علي سبيل المثال, يمكن استخدام نبضات ضوء الأتو ثانية لتحديد علامات السرطان. في حالة التحول الخبيث للخلايا الطبيعية, التشخيص المبكر والعلاج أمر بالغ الأهمية. لكن, في المراحل الأولى من السرطان, الإشارات الصادرة عن الخلايا الخبيثة ضعيفة جدًا وتضعف آلاف المرات. عندما لا تتمكن الطرق التقليدية من اكتشاف هذه الإشارات, يمكن لنبضات ضوء الأتو ثانية أن تستخرجها بحساسية كبيرة.
فى المستقبل, ومن المتوقع أن تسمح تقنية الأتو ثانية بالتحكم الكامل في عمليات التفاعل الكيميائي الحيوي, مما سيؤدي إلى النتائج المرجوة والمرغوبة.
آفاق ليزر الأتو ثانية كدفعة للعصر الجديد لتكنولوجيا المعلومات الإلكترونية
تتجه الإلكترونيات الحديثة نحو المقياس الذري, سواء من حيث الزمان أو المكان, مما يعني أن هناك إمكانية تصنيع دوائر على المستوى الذري والتحكم في التيار باستخدام المجالات الكهروضوئية.
لقد مهدت تقنية نبض الأتوسيكوند الضوئي الطريق لتطوير الأجهزة الإلكترونية فائقة الهيرتز, والتي يمكن أن تزيد من سرعة تشغيل الأجهزة الإلكترونية بعدة مراتب وربما تحل مشكلة التسخين المفرط للأجهزة الإلكترونية. وقد يصبح هذا محركاً رئيسياً لثورة جديدة في تكنولوجيا المعلومات الإلكترونية.
ووفقا لبحث نشر في مجلة نيتشر، 12 اكتوبر, تمكن باحثون من جامعة ميشيغان في الولايات المتحدة وجامعة ريغنسبورغ في ألمانيا من التقاط حركة الإلكترونات في مئات الأتو ثانية, أسرع سرعة تم تسجيلها حتى الآن. إن مراقبة حركة الإلكترونات بزيادات الأتو ثانية يمكن أن تزيد من سرعة معالجة أجهزة الكمبيوتر بما يصل إلى مليار مرة اليوم..
تأثير تقنية الأتوثانية على صناعة الطاقة
في 2013, اكتشف مختبر فيزياء الأتوثانية في معهد ماكس بلانك للبصريات في ألمانيا أن نبضات الليزر فائقة القصر وعالية الطاقة يمكنها تعديل الخواص الكهربائية للأجسام. المواد العازلة, توليد ذبذبات كهربائية وتيار فائق السرعة في العوازل. ترتبط هذه التذبذبات الكهربائية والتيارية بشكل مباشر بتنشيط وإلغاء تنشيط الليزر الساقط., مما يشير إلى أن تحويل العازل إلى موصل يحدث في غضون أتو ثانية. توضح هذه التجربة أن خصائص التوصيل الأساسية للمواد يمكن أن تزيد أو تنقص مع سرعة تذبذب مجال الضوء..
إذا كان من الممكن تحويل العوازل إلى موصلات باستخدام تقنية الأتو ثانية, لوس كابلات للكهرباء المستقبل يمكن أن يحقق نقل وتخزين الطاقة بشكل أسرع وأكثر كفاءة. في اللحظة, تُستخدم نبضات الأتو ثانية الضوئية لفحص آليات نقل الشحنة بين الإلكترونات والثقوب الموجودة في المواد الجديدة, مما يسمح بالتحكم في عملية النقل الإلكتروني وتطوير الأبحاث في تقنيات الموصلية الفائقة.
يمكن أيضًا استخدام تقنية الأتو ثانية لدراسة الآليات المجهرية في تحويل الطاقة وتخزينها., كما هو الحال في أنظمة الألواح الشمسية, خلايا الوقود والبطاريات. وسيساهم ذلك في تطوير تقنيات طاقة أكثر كفاءة واستدامة..
التأثير العميق لتقنية الأتوثانية على مستقبل البشرية
تتمتع تقنية نبض الأتوسيكوند الضوئي بالقدرة على إحداث تقدم كبير في المجالات العلمية والتكنولوجية, مما يجعلها واحدة من أهم اتجاهات التطوير في علم الليزر للعقد القادم.
الحائزون على جائزة نوبل في الفيزياء 2023, بيير أغوستيني, فيرينك كراوس وآن لويلير, مهدت الطريق لعصر جديد من البحث والتطبيق في الأتو ثانية. لقد أحدث عمله ثورة في قدرتنا على استكشاف وفهم العالم المجهري., وسيكون لمساهماتهم تأثير دائم على العلوم, التكنولوجيا والمجتمع بشكل عام. يعد المستقبل بتطورات غير عادية بفضل هذه التكنولوجيا المبتكرة.