توليد نبضات تيراهيرتز مكثفة وقابلة للضبط بدون فواصل في الماس المضغوط

سد شريط مفقود من الضوء غير المرئي

يَقَع ضوء التيراهيرتز بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء في الطيف الكهرومغناطيسي، ويمكنه تحريك الذرات والجزيئات بطرق تكشف أو تتحكم في خصائص مخفية للمواد. ومع ذلك، فقد كان شريحة حاسمة من هذا النطاق، تقارب 5–15 تيراهيرتز، صعبة المنال للحصول على نبضات قوية ونظيفة. تُظهر هذه الورقة كيف يمكن لبلورة ماسية صغيرة مضغوطة بدقة أن تعمل كمحرك جديد لتوليد دفعات تيراهيرتز مكثفة وفائقة القِصر تغطي بسلاسة هذا النطاق «المفقود»، مما يفتح إمكانيات لفحص الموصلات الفائقة والمواد الكمومية والجزيئات المعقَّدة.

لماذا يهم هذا النطاق المخفي

تستجيب العديد من المواد المهمة بقوة أكبر لاهتزازات في نطاق 5–15 تيراهيرتز. قد يؤدي دفع موصل فائق أو بلورة مغناطيسية بإيقاع مناسب إلى تغيير حالته مؤقتًا، فتُشغّل الموصلية الفائقة أو يُعاد تشكيل النمط المغناطيسي. مصادر التيراهيرتز الحالية إما تترك فجوات في هذا النطاق الترددي، أو تكون ضعيفة عند ألوان محددة، أو تعتمد على بلورات هشة ومكلفة وترتيبات معقدة. لذلك يحتاج الباحثون إلى مصدر قوي، قابل للضبط عبر النطاق الكامل بدون فواصل، وبسيط بما يكفي للتكامل في مختبرات الليزر فائقة السرعة التقليدية.

استخدام الماس كمحرك تيراهيرتز

يبني المؤلفون على طريقة تعمل فيها ثلاث نبضات ليزر مُوقوتة بعناية معًا داخل الماس. النبضتان الأطول تُحرّكان ذرات البلورة معًا بتناغم، مثيرات اهتزازًا محددًا لشبكة البلورة. ثم يمر نبض ثالث قصير جدًا في المنطقة تحت الحمراء المتوسطة ويَـ«يَنتَـسب» مع هذا الاهتزاز، محولًا بعض طاقته إلى نبضة تيراهيرتز. يتحدد لون ضوء التيراهيرتز بفارق ألوان النبضتين الأوليين ولون النبضة تحت الحمراء المتوسطة، لذا يكفي ضبط الليزرات ليغطي المخرج من نحو 5 تيراهيرتز وحتى ما بعد 15 دون ترك فراغات. التحدي الرئيسي هنا هو ضمان أن تضيف جميع الموجات المتنشرة في الماس معًا في طور واحد كي ينمو الحقل التيراهيرتز الناتج بدلًا من أن يلغيه نفسه.

ضغط الماس لتوقيت مثالي

في الماس غير المضغوط، لا تبقى الموجات متزامنة بطبيعتها عندما تسير الحزم كلها على نفس الخط، مما أجبر التجارب السابقة على استخدام حزم تتقاطع بزوايا. هذه الهندسة غير المحورية تقصر منطقة التفاعل، وتعقّد الضبط، وتدخل تشوهات في الحزمة الخارجة. هنا، يطبّق الفريق ضغطًا ميكانيكيًا محكومًا على طول محور واحد لمكعب ماسي صغير. يُحدِث هذا الانضغاط الطفيف تغييرًا في سرعة انتقال ألوان الضوء المختلفة عبر البلورة، ومع مقدار الضغط المناسب تتطابق التواقيت: يمكن لجميع الموجات المتفاعلة أن تنتشر بمحورية واحدة بينما تبقى في الطور. تُظهر التجارب أن ماسًا بطول 2 مليمتر بهذه الطريقة يولد نحو ثلاثة أضعاف طاقة التيراهيرتز عند 10 تيراهيرتز مقارنةً بترتيب الحزم المائل، مع الحفاظ على حزمة نظيفة تقريبًا بالشكل الغاوسي يمكن تركيزها بشكل محكم.

موازنة تدفق الطاقة داخل البلورة

لفهم الأداء وتحسينه، يحلّل المؤلفون رقمياً معادلات تتتبع كلًا من نبضات الضوء واهتزازات البلورة أثناء عبورهما للماس. يجدون أن أقوى نبضة مضخة تُستنزف بشدة—يُحوَّل معظم طاقتها إلى الموجات الأخرى—لذا تنهار الصيغ البسيطة التي تفترض استهلاكًا مهملًا للطاقة. تكشف المحاكاة أن ما يهم حقًا ليس فقط شدة التحفيز، بل شكل ومدى نمط الاهتزاز على طول طول الماس. إذا كانت النبضات المحرِّكة قوية جدًا أو مضبوطة تمامًا، يتكوّن اهتزاز قوي لكنه محصور في منطقة قصيرة؛ وإذا كانت ضعيفة جدًا أو بعيدة عن الضبط، ينتشر الاهتزاز لكنه لا يصل إلى سعة كبيرة. النقطة المثلى هي ملف اهتزازي واسع ومعتدل الشدة يتداخل جيدًا مع النبضة القصيرة تحت الحمراء المتوسطة، مما يعظّم إخراج التيراهيرتز.

التوسع والنظرة المستقبلية

باستخدام نظام الليزر الحالي لديهم، يولد الباحثون نبضات تيراهيرتز بطول 60 فيمتوثانية عند 10 تيراهيرتز بطاقة 30 نانوجول، وصولًا إلى شدة مجالات كهربائية تزيد على مليونين فولت لكل سنتيمتر عند تركيز قوي. تشير حساباتهم إلى أن ألماسات أكثر سمكًا بشكل معقول—حتى بضعة مليمترات—قد تزيد الطاقة عدة مرات قبل أن تقف حدود عملية مثل التلف وانتشار الحزمة عائقًا. وبما أن الحزم الآن تسير جميعها بمحورية واحدة، فإن المصدر يندمج طبيعيًا في إعدادات زمن-المجال للتيراهيرتز والطيفية فائقة السرعة الشائعة. في الجوهر، من خلال ضغط الماس بلطف وموازنة النبضات الداخلة بعناية، يقدم هذا العمل مصدرًا مدمجًا وقابلاً للضبط ومكثفًا يسد فجوة 5–15 تيراهيرتز بفعالية ويزوّد الباحثين بأداة قوية لتحريك واستكشاف سلوك المواد المعقدة.

الاستشهاد: Su, Y., Wei, Y., Lin, C. et al. Gapless tunable intense terahertz pulse generation in strained diamond. Light Sci Appl 15, 186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02092-6

الكلمات المفتاحية: نبضات تيراهيرتز, الماس المضغوط, الليزر فائقة السرعة, تبعثر رامان, المواد الكمومية