العلماء يتمكنون من مراقبة حركة الإلكترونات لأول مرة باستخدام مقياس الأتو ثانية

مقياس الأوتوثانية

يمثل الأوتو ثانية جزءاً من مليار جزء من مليار جزء من الثانية الواحدة، وهذه فترة قصيرة من الوقت بدرجة لا نستطيع فهمها، ففي الحقيقة، يوجد عدد من الأوتو ثانية في الثانية الواحدة أكبر من عدد الثواني الموجودة منذ بداية الكون قبل 13.8 مليار سنة.

تركيب الذرات و حركة الإلكترونات

تتكون الذرات، وهي الجسيمات التي تشكل كل المواد، من نواة تتكون من جسيمات دون ذرية تسمى البروتونات والنيوترونات محاطة بالإلكترونات، ونواة الذرة أكبر وأضخم بكثير من الإلكترونات المحيطة بها، وتتحرك الذرات وتدور في نطاق زمني قدره جزء من مليون من مليار من الثانية، ويسمى أيضاً الفيمتو ثانية، حيث تتحرك الإلكترونات أسرع بـ 1000 مرة من الذرات في مقياس زمني لا يمكن ملاحظته إلا بالأوتو ثانية، وبسبب السرعة التي تتحرك بها الإلكترونات، كان يُعتقد أن مراقبتها مباشرة أمر مستحيل.

مراقبة حركة الإلكترونات بمقياس الأتو ثانية

يستخدم العلماء نبضات الضوء لالتقاط صور للذرات، وأسرع نبضة كان يُعتقد سابقاً أنها ممكنة كانت في مقياس زمني بالفيمتو ثانية، وهو قادر على التقاط الحركات الذرية ولكن ليس حركات الإلكترونات.

لكن الأبحاث الرائدة التي أجراها لويلير، وكراوس، وأغوستيني، وزملاؤهم مكنتهم من توليد نبضات من الضوء يبلغ طولها أوتو ثانية، وبالتالي يمكن للفيزيائيين مراقبة الإلكترونات مباشرة لأول مرة على الإطلاق.

توليد نبضات الضوء بالأتو ثانية

ولكن، لماذا تعتبر هذه القفزة من الفيمتو ثانية إلى الأوتو ثانية مثيرة للإعجاب؟ قبل عام 2001، لم تكن أجهزة الليزر المعملية قادرة على إنشاء أطوال موجية أقصر من الفيمتو ثانية، لذلك، كان توليد نبضات الضوء بالأتو ثانية أكثر صعوبة بكثير.

وفي عام 1987، اكتشف لويلير أن إطلاق شعاع ليزر بالأشعة تحت الحمراء على غاز خامل، وهو غاز مستقر تماماً، أدى إلى انبعاث "موجات" أقصر، أو مضاعفات للموجة الأولية، ويمكن لهذه الموجات المنبعثة أن تتفاعل مع بعضها البعض لتكوين نبضات بأحجام مختلفة، على غرار الطريقة التي يمكن بها للتموجات في الماء التي تنشأ من نقطتين مختلفتين أن تلغي بعضها البعض أو تندمج مع بعضها، لكن الموجات التي تندمج مع بعضها يمكن أن تشكل موجة عملاقة عندما تصطف قممها أو تنخفض في السعة، ولذلك، من خلال عكس موجات مختلفة من الضوء وإضافتها، من الممكن إنشاء موجات جديدة أقصر.

في عام 2001، استخدم كراوس وأغوستيني، في مختبرهما، هذا الاكتشاف لمعرفة ترتيب النغمات المتداخلة التي من شأنها أن تؤدي إلى نبضات في مقياس زمني للأوتو ثانية، والآن، يستطيع الفيزيائيون إنتاج نبضة تبلغ بضع عشرات من الأوتو ثانية فقط باستخدام هذا الأسلوب.