- فريق بحث SLAC قام بتوليد أقصر نبضة أشعة X عالية الطاقة، بمدة تتراوح بين 100 إلى 400 فيمتوثانية.
- النبضات الفائقة القصر تسمح بمراقبة الهياكل المثالية، وتقليل الأضرار الإشعاعية، مما يمثل علامة فارقة مهمة للباحثين.
- التقنية الجديدة توسع علم الفيمتو إلى نطاق طاقة فوتون يبلغ حوالي 9 كيلو إلكترون فولت.
- أشعة X الصلبة الفيمتو يمكنها التقاط لقطات للحالة غير المتضررة، مما يحسن التصوير على النانو مقياس.
قام الباحثون في مصدر الضوء المتماسك Linac (LCLS) التابع لـ SLAC بتوليد وقياس أقصر نبضة أشعة X عالية الطاقة ("صلبة") تم تسجيلها في أشعة الليزر الإلكتروني الحر للأشعة X (XFEL). أكدت هذه الدراسة أن مدة النبضة عند طاقة فوتون عالية (حوالي 9 keV) تتراوح بين 100 إلى 400 فيمتوثانية. هذه الومضات "الصلبة" من أشعة X غيرت تمامًا الطريقة التي نراقب بها ونسيطر على المادة الكمومية. لقد بدأ العلماء في استخدام هذه النبضات الفائقة القصر لالتقاط الحركة الفورية للإلكترونات داخل الذرات وفي البلازما الكثيفة.
تسمح هذه النبضات الفائقة القصر للعلماء بمراقبة الهياكل المثالية، متجاوزة الأضرار الإشعاعية الناتجة عن أشعة X نفسها. وقال البروفيسور إيتشيرو إينو من جامعة طوكيو: "هذه علامة فارقة مهمة للباحثين الذين يأملون في استخدام أشعة X الصلبة الفيمتو في LCLS".
إنتاج وقياس نبضات الفيمتو
إنتاج نبضات الفيمتو أمر بالغ الصعوبة، وقياس نبضة واحدة أصعب بكثير. "على مدى السنوات، تعلمنا كيفية إنشاء هذه النبضات الفيمتو عالية الطاقة، لكن قياس نبضة قصيرة جدًا هو أمر صعب للغاية. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إثبات أن النبضة تستمر بالفعل لبضع مئات من الفيمتوثواني باستخدام أداة تشخيصية"، كما أوضح المؤلف البحثي، البروفيسور أغوستينو مارينيلي من SLAC. جاءت الحلول من المؤلف الرئيسي إينو، الذي اقترح تقنية قياس غير مباشرة باستخدام تضخيم الإشعاع الذاتي (ASE). ASE هو بشكل أساسي تقسيم حزمة أشعة X لقياس طيف طاقتها مباشرة، بينما يتم تركيز الضوء المتبقي على ورقة نحاسية لإنتاج توهج أمامي.
اختبر الباحثون مصدر الضوء المتماسك Linac التابع لـ SLAC من خلال إطلاق حزمة عالية الطاقة وتقسيمها إلى مسارين. جزء منها يصل مباشرة إلى كاشف يسجل طيف الطاقة، بينما يتم تركيز الضوء المتبقي على نقطة بحجم 150 نانومتر على ورقة نحاسية لإنتاج إشعاع توهجي. دمج القياسات من الكاشفين سمح للفريق بحساب المدة الدقيقة والفورية للنبضة. هذه التقنية توسع علم الفيمتو إلى نطاق طاقة فوتون يبلغ حوالي 9 كيلو إلكترون فولت، وهو قفزة كمية تتجاوز التجارب السابقة التي كانت تعمل عند أقل من 5 كيلو إلكترون فولت.
لماذا تعتبر هذه الأشعة X الصلبة الفائقة القصر مهمة جدًا؟ العمق والسرعة. الأشعة X منخفضة الطاقة مناسبة لمراقبة الروابط الكيميائية في القشرة الذرية. بينما الأشعة X الصلبة عالية الطاقة (أكثر من 5 كيلو إلكترون فولت) يمكن أن تتعمق في المواد الكثيفة، مما يسمح للعلماء بتحديد مواقع الإلكترونات بدقة ذرية. وقال الفيزيائي سام فينكو من جامعة أكسفورد: "فيزياء البلازما فوضوية للغاية. عادةً ما نقوم بتحفيز العينة، ثم يسترخي النظام ويعيد تنظيم نفسه قبل أن نتمكن من استخراج القياسات. غالبًا ما نضطر للاعتماد على النمذجة وفرض الافتراضات حول ما يحدث فعليًا".
تطبيقات أشعة X الصلبة الفيمتو
يمكن للعلماء الآن استهداف أنظمة متطرفة، مثل تلك الموجودة في تجارب الطاقة الاندماجية، والتقاط حالات الإثارة النووية المجمدة قبل أن تتشوش أو تتطور. عادةً ما تدمر الأشعة X العينات الدقيقة التي يتم مسحها، لكن أشعة X الصلبة الفيمتو تمنع هذا التدمير لأنها سريعة جدًا. نظرًا لأن الومضة تنتهي قبل حدوث الضرر أو الانحلال، يمكن للباحثين التقاط لقطات للحالة غير المتضررة للنظام. يعتقد تايس غوركهوفر من جامعة هامبورغ أن هذه القدرة لن تحسن التصوير على مقياس النانو فحسب، بل قد تساعد أيضًا في السيطرة الكاملة أو حتى عكس التفاعل بين الضوء والمادة.
يمثل الإنجاز الأخير لـ SLAC بداية عصر جديد في الديناميكا الكمومية، حيث يوفر للباحثين غالق كاميرا أسرع من تحلل الذرات.
تأثير أشعة X الصلبة الفيمتو على البحث الكمومي
يمثل تطوير أشعة X الصلبة الفيمتو تقدمًا كبيرًا في دراسة الديناميكا الكمومية، حيث يمكنها التقاط الظواهر الفورية دون إتلاف العينات. وهذا يمكّن العلماء من مراقبة والتحكم بدقة أكبر في الأنظمة الكمومية، خاصةً في الحالات التي تتضمن طاقة عالية ومواد كثيفة. مع تقدم التقنية، ستتمكن الأبحاث المستقبلية من استكشاف سلوك الديناميات على مستوى الذرات والجزيئات، مما يحمل أهمية كبيرة في مجالات مثل علوم المواد وبحوث الطاقة.