إطلاق وإعادة التقاط جزيئات نانوية من السيليكا من فخ بصري في حالة انعدام الوزن

لماذا تهم الجسيمات الصغيرة أثناء السقوط الحر

يسعى الفيزيائيون باستمرار إلى إيجاد طرق جديدة للتحقق من أعمق قوانين الطبيعة، من الجاذبية إلى ميكانيكا الكم. أداة واعدة هي خرزة زجاجية صغيرة تُثبت في مكانها بواسطة ليزر، حسّاسة لدرجة أنها تستطيع استشعار قوى ضئيلة للغاية. في هذه الدراسة، يبيّن الباحثون أن هذه الجسيمات النانوية «المعلّقة بصريًا» يمكن إطلاقها وإمساكها مرة أخرى بينما يكون النظام بأكمله في حالة انعدام الوزن، وهي خطوة أساسية نحو تجارب مستقبلية في الفضاء قد تختبر كيفية توافق الجاذبية مع الفيزياء الكمومية وتحسّن مجسات القوة فائقة الدقة.

الخرز العائم كجسيمات اختبار

يستخدم التجربة جزيئات نانوية من السيليكا—كرات زجاجية يبلغ قطرها نحو 150 نانومتر فقط—يحتجزها شعاع ليزر تحت الحمراء مركز داخل حجرة تفريغ صغيرة. يعمل الليزر كأنه نابض غير مرئي، يحتجز الجسيم قرب نقطة تركيزه بحيث يتأرجح ذهابًا وإيابًا في ثلاث اتجاهات. وبما أن الحجرة مفرغة والجسيم ضئيل، فتقل المؤثرات الخارجية إلى حد كبير، مما يجعل الخرزة مجسًا حساسًا للغاية للدفع والسحب الطفيفين. هذا النوع من الأنظمة، المعروف بالميوعة الضوئية المعلقة، جذّاب بشكل خاص لأن شروط البدء للجسيم—موقعه وحركته—يمكن تهيئتها بدقة كبيرة، وهو أمر حاسم لاختبارات السلوك الكمومي على كتل نسبياً كبيرة وللقياسات القوية المتقدمة للقوى.

نقل المختبر إلى حالة انعدام الوزن

لاستكشاف ما يحدث عندما تُزال الجاذبية عمليًا، عدّل الفريق جهاز احتجاز بصري كامل للعمل داخل برج السقوط غرافي تاور بريمن، وهو منشأة مدمجة توفر حتى ثوانٍ قليلة من انعدام الوزن. يُكبَّر ويُشكّل ضوء الليزر قبل أن يركزه مرآة قطع مكافئ عالية الجودة في حجرة التفريغ، مكوّنًا الفخ. يُجمَع الضوء المتناثر من الجسيم عبر نفس المرآة ويوجَّه إلى مقياس ضوئي واحد، الذي يحوّل حركة الجسيم إلى إشارة كهربائية. كان على النظام بأكمله، بما في ذلك البصريات والإلكترونيات والطاقة، أن يكون مدمجًا وصلبًا ويعمل بالبطاريات لتحمّل عمليات الإطلاق المتكررة وجولات السقوط الحر داخل البرج مع الحفاظ على المحاذاة الحساسة اللازمة لاحتجاز جزيء نانوي واحد في مكانه.

التحقق من أن الفخ يتصرف كما هو معتاد

قبل إجراء اختبارات الطيران الحر، تحقق الباحثون من أن الفخ في حالة انعدام الوزن يتصرف تمامًا كما يفعل في المختبر. قاسوا كيف تعتمد ترددات اهتزاز الجسيم الطبيعية في الفخ على طاقة الليزر، سواء على الأرض أو أثناء رحلات برج السقوط. من خلال تحليل الترددات في إشارة المقياس الضوئي، أكدوا أن وجود الجاذبية أو غيابها لا يغيّر سلوك الاحتجاز بشكل ملحوظ، بما يتفق مع محاكاة الحاسوب. كما عدّلوا استقطاب الضوء بحيث يكون للجسيم صلابة مختلفة قليلًا على امتداد اتجاهين جانبيين، وهي خطوة تقنية مهمة للتبريد النشط المستقبلي للحركة، والذي سيكون مطلوبًا لتمديد مدة الرحلات الحرة المنضبطة.

الإفلات والإمساك مرة أخرى

تضمن التجربة المركزية إيقاف تشغيل ليزر الاحتجاز لفترة وجيزة بحيث يطير الجسيم بحرية، ثم إعادة تشغيل الليزر لإعادة التقاطه. خلال فترة الإيقاف، يكون نفس الليزر الذي يقيس الموضع عادةً مظلمًا، لذلك يجب إعادة بناء الحركة مما يحدث قبل وبعد. أطلق الفريق الجسيم النانوي لفترات تصل إلى 10 ميكروثوانٍ في حالة انعدام الوزن. بعد كل إطلاق، فحصوا مدى قوة تذبذب الجسيم عند إعادة التقاطه واستخدموا ترشيحًا دقيقًا للإشارة لفصل الحركة على طول الاتجاهات المكانية الثلاثة. عندما ظلت تأرجحات الجسيم معتدلة، تصرف الفخ كنابض بسيط، ويمكن التنبؤ بمساره أثناء الطيران الحر ومطابقته مع القياسات بدقة. بالنسبة لأزمنة إطلاق أطول أو انحرافات أكبر، دخلت الحركة مناطق أكثر تعقيدًا وغير نابضية من القوة الضوئية، حيث لم تعد طريقتهم ذات الكاشف الواحد قادرة على فصل الاتجاهات المختلفة بوضوح.

خطوات نحو اختبارات كمومية ومجسات أفضل

تُظهر الدراسة أن الجسيمات النانوية المعلقة يمكن التحكم بها وإطلاقها وإعادة التقاطها في بيئة انعدام وزن حقيقية، مع تصرّف حركتها أثناء الطيران الحر كما تتوقعه الفيزياء البسيطة. يفتح هذا الإثبات للمبدأ الباب أمام تجارب أطول وأكثر برودة وأكثر حساسية حيث تقترب حركة الجسيم من المجال الكمومي أو تُستخدم ككتلة اختبار فائقة الحساسية لقياس قوى ضعيفة، بما في ذلك الجاذبية نفسها. مع تحسينات مخططة مثل التبريد النشط لتقليل الحركة العشوائية للجسيم، قد تسمح إعدادات مماثلة برحلات حرة أطول بآلاف المرات من تلك المبلغ عنها هنا، محولةً خرزة زجاجية ساقطة إلى نافذة قوية جديدة على آليات الكون الأساسية.

الاستشهاد: Prakash, G., Herrmann, S., Bergmann, R.B. et al. Release and recapture of silica nanoparticles from an optical trap in weightlessness. npj Microgravity 12, 37 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00596-y

الكلمات المفتاحية: الميوعة الضوئية المعلقة, انعدام الجاذبية, الاحتجاز الضوئي, الجزيئات النانوية, قياس القوى بدقة