- نجح العلماء في تركيز نبضات الأشعة السينية الفائقة القصر، محققين رقماً قياسياً جديداً في القوة.
- يساعد هذا التقدم في دراسة استجابة الإلكترونات للضوء القوي.
- استخدم الباحثون نظاماً بصرياً متقدماً لتركيز الأشعة السينية في منطقة صغيرة.
- يمكن أن تغير نبضات الأشعة السينية القوية طريقة دراسة التفاعلات الكيميائية.
تتحرك الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات بسرعة فائقة، ويتطلب دراسة سلوكها ومراقبتها ضوءاً يستمر لمدّة تعادل جزءاً من مليار من مليار من الثانية. الآن، وجد العلماء طريقة لتركيز هذه الومضات الفائقة القصر من الأشعة السينية في نقطة صغيرة، مما يزيد من طاقتها عند إصابتها بالعينة. في تجربة الأشعة السينية الحرة الأوروبية (European XFEL)، حقق الباحثون رقماً قياسياً جديداً في قوة وتدفق نبضات الأشعة السينية الصلبة. حيث تجاوزت ذروة القوة 1020 واط لكل سنتيمتر مربع.
قال رئيس الباحثين إينوي إيتشيرو من جامعة طوكيو: "هذا هو الرقم القياسي العالمي لنبضات الأشعة السينية الصلبة من حيث القوة والتدفق." قد يساعد هذا التقدم العلماء في دراسة كيفية استجابة الإلكترونات للضوء القوي، وفي النهاية استكشاف طرق للتحكم فيها خلال عمليات التفاعل الكيميائي.
استخدام نظام بصري متقدم لتركيز الأشعة السينية
أُجريت التجربة في أبريل 2026، باستخدام ومضات من الأشعة السينية تستمر حوالي 300 أسيكوند. الأسيكوند هو جزء من مليار من مليار من الثانية، مما يجعل هذه النبضات مناسبة لدراسة بعض أسرع العمليات المتعلقة بالإلكترونات. قام الباحثون بتوجيه النبضات عبر نظام بصري متقدم يُعرف باسم Kirkpatrick–Baez (AKB)، والذي يتكون من مرآتين دقيقتين. كل ومضة تنعكس على المرآتين أربع مرات. تقوم إحدى المرآتين بتركيز الأشعة السينية عمودياً، بينما تقوم الأخرى بتركيزها أفقياً، مما يركز الشعاع في منطقة لا تتجاوز 180 × 330 نانومتر.
باختصار، تمكن الباحثون من تركيز الأشعة السينية في منطقة أصغر بحوالي 100,000 مرة من مقطع عرض شعرة إنسان عادية. يعتمد هذا الإنجاز على الأبحاث السابقة التي أجراها فريق European XFEL، حيث عرض الباحثون نبضات الأشعة السينية الصلبة بقدرة كيلوواط. ومع ذلك، فإن إنتاج نبضات قوية هو جزء فقط من المشكلة. يجب أن تصل الطاقة بشكل مركز كافٍ إلى العينة لتحقيق التأثير المطلوب، وهو ما يمثل تحدياً تواجهه تقنيات أشعة الليزر الأخرى المستخدمة في دراسة المواد على مقاييس صغيرة.
قال أحد الباحثين يان جياوي: "قبل بضع سنوات، عرضنا نبضات الأشعة السينية الصلبة بقدرة كيلوواط في European XFEL. لكن إنتاج نبضات قوية هو مجرد الخطوة الأولى. بالنسبة للتجربة، الأهم هو النتائج التي يمكننا تقديمها للعينة. مع هذا التقدم، يمكننا الآن استخدام الأشعة السينية الفائقة القصر لاستكشاف التفاعلات غير الخطية الشديدة بين الأشعة السينية والمادة."
للتحقق من القوة بشكل مستقل، وجه فريق البحث نبضات الأشعة السينية نحو قطعة من رقائق النحاس، وفحصوا الضوء المنبعث من ذراتها. تقوم الأشعة السينية الساقطة بإخراج الإلكترونات من القشرة الداخلية العميقة لذرات النحاس، تاركةً فراغات أو ثقوب. بعد ذلك، تدخل الإلكترونات من القشرة الخارجية إلى هذه الفراغات، مُطلِقةً الطاقة على شكل أشعة سينية. تحت إضاءة قوية كافية، يمكن أن تحفز هذه الإصدارات ذرات النحاس المثارة الأخرى لإطلاق أشعة سينية تسير في نفس الاتجاه. تؤدي هذه الظاهرة إلى تأثير تضخيم ينتج عنه إشارة أقوى وأكثر تركيزاً. تُعرف هذه العملية باسم الإشعاع الذاتي المعزز (ASE)، وهي ظاهرة مرتبطة بعمليات الإشعاع الممكنة مع أشعة الليزر السينية.
قال مدير المشروع أندرس مادسن: "إن رؤية هذه العملية تكاد تكون سحرية. عادةً ما تتشتت الفلورية في جميع الاتجاهات، بغض النظر عن اتجاه الشعاع الساقط. ولكن عند تجاوز عتبة ASE، سترى الشعاع يبدأ في التركيز للأمام."
في البداية، مع زيادة الباحثين لطاقة النبضات، زادت إشارة ASE بسرعة. ومع ذلك، عند مستويات طاقة أعلى، بدأت الإشارة في الاستقرار، وهو سلوك يُعرف بالتشبع. يتماشى هذا الاستجابة مع القوة العالية المقدرة بناءً على طاقة النبضات، ومدة النبض، وحجم نقطة التركيز، مما يوفر تحققاً مستقلاً للحسابات.
التطبيقات المحتملة لنبضات الأشعة السينية القوية
يمكن أن يساعد هذا الإنجاز الباحثين في دراسة سلوك الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات، بما في ذلك كيفية استجابة المواد للإضاءة القوية من الأشعة السينية. على المدى الطويل، قد تساعد هذه الأبحاث في التحكم في الإلكترونات خلال عمليات التفاعل الكيميائي. يستكشف الباحثون بالفعل طرقاً لالتقاط هذه التغيرات السريعة، بما في ذلك تجارب تصوير الإلكترونات والذرات خلال عمليات التفاعل الكيميائي. ومع ذلك، تُظهر التجربة إنتاج والتحقق من نبضات الأشعة السينية القوية، بدلاً من التحكم المباشر في الإلكترونات خلال عمليات التفاعل. حالياً، استخدم الباحثون نظام AKB البصري الذي تم جلبه من اليابان.
من المتوقع أن يحصل European XFEL على نظامه الخاص في أوائل عام 2027. بعد التثبيت والاختبار، سيوفر هذا النظام هذه الومضات القصيرة والقوية من الأشعة السينية للباحثين حول العالم لاستخدامها في أدوات MID الخاصة بالمرفق.
أثر هذه التقنية على أبحاث الإلكترونات
تكمن أهمية هذا التقدم التكنولوجي في القدرة على تركيز نبضات الأشعة السينية الفائقة القصر، وهو أمر حيوي لدراسة سلوك الإلكترونات في الذرات والجزيئات. مع زيادة القوة والتدفق، سيتمكن العلماء من استكشاف كيفية استجابة الإلكترونات تحت الإضاءة القوية، وقد يتمكنون في المستقبل من التحكم في الإلكترونات خلال عمليات التفاعل الكيميائي. لا يساهم ذلك فقط في دفع العلوم الأساسية، بل قد يحدث أيضاً تأثيراً ثورياً في تطبيقات علوم المواد والتفاعلات الكيميائية.