محققان رکورد کوتاه ترین پالس نوری را شکستند

یک پالس از لیزر پرتوی ایکس به مدت ۵۳ آتو ثانیه به عنوان کوتاه ترین پالس نوری در تاریخ نورشناسی تبدیل شده است و رکورد پیشین را با اختلاف ۱۴ آتو ثانیه شکسته است.
صرف نظر از جالب بودن این موضوع، پالس نوری ثبت شده کاربردی فراتر از لاف زدن درباره ی یک کشف جدید دارد. این پیشرفت می تواند در تحقیقاتی که به اندازه گیری موقعیت و رفتار ذرات در محدوده ی اتم ها و مولکول ها نیاز دارند بسیار موثر باشد، و به این ترتیب درها را برای فناوری های جدید باز کند.

گویا آی تی – محدودیت های موجود در مورد پالس های نوریِ بسیار سریع، از زمان توسعه ی لیزرها در دهه ی ۱۹۶۰ به مرور بیشتر و بیشتر شده است.
ما از دوره ی پالس های چند میلی ثانیه ای فاصله ی زیادی گرفته ایم و اکنون این مدت برای پالس ها به چند آتو ثانیه ( معادل 〖۱۰〗^(-۱۸) ثانیه) رسیده است.
رکورد قبلی از کوتاه ترین پالس را محققانی از دانشگاه فلوریدای مرکزی به مدت ۶۷ آتو ثانیه در سال ۲۰۱۲ به ثبت رسانده اند، با این تفاوت که در آن زمان از پالس های نوری فرابنفش استفاده شده است.
اما در این آزمایش جدید پژوهشگران توانسته اند طول موج و پالس را کوتاه تر کنند، و به درخشش بسیار کوتاهی از نور در بخش پر انرژی تر طیف یعنی پرتوی ایکس برسند.
برای اینکه میزان کوتاه بودن زمان این پالس را به خوبی درک کنید، باید گفت که یک پالس نوری در عرض یک ثانیه می تواند ۵/۷ بار دور زمین را طی کند. اما در ۵۳ آتو ثانیه، تصور کنید که نور تنها می تواند فاصله ای در حدود یک هزارم عرض یک تار موی انسان را طی کند.
تفکیک و شکافت نور به این پالس های بسیار کوتاه کاربردهای فیزیکی متعددی دارد.
ژنگو چانگ یکی از محققان این پروژه می گوید:” این پرتوهای ایکس با مقیاس آتو ثانیه را می توان برای مثال در ثبت ویدئوهای حرکت آهسته از الکترون ها و اتم ها در مولکول های فیزیکی در سلول های زنده، یا بهبود کارایی پانل های خورشیدی با درک بهتر فرآیند فوتوسنتز به کار برد.”
در مقیاس اتمی، اندازه گیری برخی مشخصات با مرتبط کردن آن ها با واحدهای معمول بسیار ساده تر می شود.

واحد زمان در مقیاس اتم، واحدی به اندازه ی ۲۴ آتو ثانیه است، بنابراین در اختیار داشتن پالس هایی که نزدیک به این واحد باشد می تواند به بهبود رزولوشن کمک کند، چرا که یک دوربین سریعتر به ما اجازه خواهد داد که رویدادهای بسیار سریع مانند ترکیدن بادکنک ها یا حرکت گلوله ها را ثبت کنیم.
رکوردهای قبلی با استفاده از فرآیندهایی به ثبت رسیده بود که انرژی موجود در پالس را در حدود ۱۰۰ الکترون ولت محدود می کرد.
بنابراین محققان از این فرآیند برای افزایش میزان انرژی در محدوده پالس نوری استفاده کردند و در عین حال مدت کل تابش را نسبتا کوتاه نگاه داشتند.
پالس های بسیارکوتاه در میان بخش های پر انرژی تر طیف نور نظیر پرتو ایکس- یعنی انرژی بیش از ۱۲۴ الکترون ولت – مزیت ویژه ای برای ما دارند.
الکترون ها تنها در صورتی که مقادیر (یا واحدهای) مشخصی از انرژی (کوانتا) را دریافت کنند می توانند از مدارهای خود حول هسته جهش پیدا کرده و برانگیخته شوند.
یکی از روش هایی که فیزیکدانان از آن برای توصیف انرژی ویژه ای که الکترون ها را در جای خود نگاه می دارد استفاده می کنند، آزمایشی هایی است که با استفاده از پرتو ایکس انجام می شود.

روش علامت گذاری پرتو ایکس مدارهای الکترونی را توسط حروف و اعداد نام گذاری می کند. در این نامگذاری اولین مدار K1 نام دارد و مدارهای به ترتیب، L1، L2، L3 و…. نام داده می شوند.
رسیدن به تراز K در کربن دستاوردی است که به محققان اجازه می دهد الکترون های نزدیک به هسته ی اتم کربن را هدف قرار داده و اثر پینبال را در برخورد الکترون ها به اطراف ببینند.
چانگ می گوید:” انرژی فوتون پالس های پرتوی ایکس در مقیاس های آتو ثانیه دو برابر بیشتر از منابع نوری پیشین (در مقیاس آتو ثانیه) است و به تراز K کربن (یعنی ۲۸۴ الکترون ولت) رسیده است، که بررسی و کنترل مشخصات دینامیکی الکترون مانند فرآیندهای اوژه را ممکن می سازد.”
نور در انرژی هایی در حد تراز K به محققان اجازه می دهد تا پالس ها را از چیزی که پنجره ی آبی نامیده می شود ارسال کنند – پنجره ی آبی به بخشی از طیف نور گفته می شود که در آن آب در برابر پرتوهای ایکس کم انرژی نامرئی است.
ریچ هموند از اداره ی تحقیقات ارتش آمریکا، که مسئول تأمین هزینه های پروژه بوده است می گوید:”این شرایط فضا را برای آزمایش های جدید و متنوع بسیاری آماده می کند، و با درک بهتر ماده نسبت به هر زمان دیگری، مرزهای علم فیزیک را گسترش می دهد.”
پیشرفت در فناوری به معنای آن است که حتی جزئی ترین فرآیندهای اتمی باید در نظر گرفته شوند؛ درک این که الکترون ها در یک اتم ِنسبتا پیچیده مانند کربن چگونه رفتار می کنند راه را برای استفاده هرچه بیشتر از علم الکترونیک باز کرده و مبانی کوانتومی در علم زیست شناسی را آشکار می کند.