توليد نبضات أتوسيكوند مفردة بمساعدة التكون الخيطي

تجميد الحركة بمعدل مليار مليار إطار في الثانية

تحدث العديد من أهم الأحداث في الطبيعة أسرع بكثير مما يمكن للكاميرا أن تلتقط: إلكترونات تنتقل داخل الذرات، وشحنات تجري عبر المواد، وقلوب تحوّل اتجاهاتها في المغنطات. لمراقبة هذه الحركات مباشرة، يستخدم العلماء ومضات ضوئية تستغرق مجرد أتوسيكوند — أجزاء من مليار من مليار الثانية. تُبلغ هذه الورقة عن طريقة بسيطة ومتينة لتوليد مثل هذه الومضات المتطرفة باستخدام نوع شائع من ليزرات الصناعة وجهاز ذكي مملوء بالغاز، ما قد يجعل "كاميرات سرعة الإلكترون" أكثر سهولة للعديد من المختبرات.

لماذا تهم الومضات فائقة القِصَر

غيّرت نبضات الأتوسيكوند الطريقة التي يدرس بها الباحثون المادة. بفضلها، يمكن تتبع كيفية تحرك الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات والمواد الصلبة، وملاحظة كيفية انتشار الإثارات، والتحكم في الحالات المغناطيسية في المواد. تدعم هذه القدرات تقنيات "موجة الضوء" الناشئة التي قد تعالج المعلومات بمعدلات بيتاهيرتز يومًا ما — أسرع بكثير من إلكترونيات اليوم. ولكن لدفع هذا العلم قدمًا، يحتاج المختبرون إلى نبضات أتوسيكوند ليست فقط قصيرة جدًا، بل أيضًا ساطعة ونظيفة ومستقرة من طلقة لأخرى.

تحويل ليزر عمل شاق إلى ومضة بسرعة الإلكترون

يعمل الفريق مع ليزر يوروبيوم (Yb) متين، وهو منصة شائعة للنبضات الفيمتوثانية عالية الطاقة. بحد ذاته، ينتج هذا النوع من الليزر نبضات طويلة نسبيًا، يزيد طولها عن 150 فيمتوثانية، التي يجب ضغطها بشدة للوصول إلى نظام بضع دورات المطلوب لعمل الأتوسيكوند. عادةً ما يترك هذا الضغط القوي بعده نبضات أقمار صناعية غير مرغوب فيها ومواجهات موجية مشوهة تؤثر على جودة النبضة. يرسل المؤلفون هذه النبضات تحت الضغط بالفعل، بطول 4.7 فيمتوثانية في الطيف تحت الأحمر، إلى حجرة طويلة مملوءة بالغاز تُدعى خلية غاز شبه لانهائية. داخل هذا الوسط الممتد، تتفاعل الضوء والغاز بقوة بحيث يعيد الشعاع تشكيل نفسه أثناء الانتقال، مكوّنًا "خيطًا" ضيقًا وساطعًا من الضوء.

كيف ينظف الخيط الضوئي المتشكل ذاتيًا النبضات ويقصرها

عندما تُضبط الظروف بحيث تقترب القدرة الذروية لليزر من قيمة حرجة تحددها خصائص الغاز، ينشأ توازن بين ثلاثة تأثيرات: التباعد الطبيعي للحزمة، والتركيز بفعل الغاز نفسه، والتشتت بفعل البلازما المتشكلة عند تأين الغاز. ينتج عن هذا التوازن خيط موجه ذاتيًا يحافظ على حجمه شبه ثابت على امتداد عدة مليمترات. داخل هذا القناة الضيقة، يتعرض قمة النبضة لانزياح طفيف نحو الأزرق — أي انتقال اللون إلى تردد أعلى قليلاً — بينما تتحول الأجزاء الأمامية والخلفية بشكل مختلف. التأثير الصافي هو تقصير الحد المركزي للنبضة وتنقيتها مكانيًا، حيث تنخفض من 4.7 إلى 3.5 فيمتوثانية في الأرجون. في الوقت نفسه، تنتشر الأجزاء الطيفية الخارجية الأقل فائدة وتحمل جزءًا صغيرًا فقط من الطاقة، مما يترك نواة ذات سلوك جيد.

من نبضات تحت حمراء نظيفة إلى وميض أتوسيكوند معزول

في حالة الخيط، تولد النبضة تحت الحمراء المكثفة والمنقاة ضوءًا بالأشعة فوق البنفسجية المتطرفة عبر توليد التوافقيات العالية، حيث تُحرَّر الإلكترونات أولًا ثم تُدفع للعودة إلى أيوناتها الأصلية مطلقة إشعاعًا بترددات عالية جدًا. وبما أن الحزمة موجهة بإحكام ومضغوطة مؤقتًا، تتحقق شروط بناء هذه التوافقيات فقط خلال نافذة زمنية قصيرة جدًا حول قمة النبضة. تعمل هذه النافذة كبوابة طبيعية، فتسمح بتكوين وميضة أتوسيكوند مفردة بدلًا من قطار من النبضات. تظهر القياسات باستخدام تقنية "التشويش" الأتوسيكوندي أن هذا الأسلوب ينتج بثبات نبضات معزولة ساطعة: نحو 200 أتوسيكوند عند 65 إلكترون فولت في الأرجون، 69 أتوسيكوند عند 100 إلكترون فولت في النيون، و65 أتوسيكوند عند 135 إلكترون فولت في الهيليوم، كلها بجودة شعاع جيدة وتباين عالٍ.

مسار مباشر نحو مصادر أتوسيكوند عملية

تُظهر الدراسة أن خلية غاز طويلة تعمل في نظام الخيط يمكنها في آن واحد تقصير النبضة تحت الحمراء الصعبة، وتثبيتها، وتنظيفها مكانيًا، مع تحويلها في الوقت نفسه إلى مصدر قوي لوميض أتوسيكوند معزول. بالمقارنة مع مخططات أكثر تعقيدًا تعتمد على حيل بوابة متقنة أو بُصريات حساسة، يحتاج هذا الأسلوب إلى نبضة قوية بضع دورات فقط وخلية غاز مضبوطة بشكل مناسب. وبما أنه يعمل مع ليزرات Yb المتينة الموجودة بالفعل في المختبرات والصناعة، فإن نهج المساعدة بالخيط يقدم طريقًا عمليًا نحو مصادر ضوئية أتوسيكوند متاحة على نطاق أوسع لاستكشاف العمليات فائقة السرعة في المادة والتحكم فيها في نهاية المطاف.

الاستشهاد: Chien, YE., Fernández-Galán, M., Tsai, MS. et al. Filamentation-assisted isolated attosecond pulse generation. Nat Commun 17, 3501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70903-4

الكلمات المفتاحية: نبضات أتوسيكوند, توليد التوافقيات العالية, تكون خيوط الليزر, الطيفية فائقة السرعة, خلايا غازية شبه لانهائية