التداخل بالأشعة فوق البنفسجية المتطرفة لتوليد التوافقيات العالية وديناميكيات فجوة النطاق الناتجة عن الإثارة في المواد الصلبة

مراقبة حركة الإلكترونات بسرعات مذهلة

تتكبد الإلكترونيات في هواتفنا وحواسبنا بالفعل تبديلات بمليارات المرات في الثانية، لكن حركة الإلكترونات داخل المواد الصلبة أسرع بكثير—تحدث في أجزاء من الكوادريليون من الثانية. يوضح هذا البحث كيف يمكن للعلماء «تصوير» تلك الحركات فائقة السرعة باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة وأنماط التداخل، كاشفين كيف تتغير فجوة الطاقة التي تتحكم في سلوك المادة لفترة وجيزة عندما تصدمها نبضة ليزر مكثفة.

موجات ضوئية تقيس ضوءاً آخر

التداخل تقنية كلاسيكية في الفيزياء: دع موجتين تتداخلان واقرأ الفوارق الطفيفة من نمط الشرائط المضيئة والمظلمة الناتج. هنا يطبّق الباحثون الفكرة على ضوء الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة المولَّد داخل المواد الصلبة. يبدأ العمل بنبضة ليزر قرب تحت الحمراء طولها بضع فيمتوثوانٍ فقط ويقسمونها إلى نسختين متماثلتين تتبعان نفس المسار لكن تصلان في أزمنة مختلفة قليلاً. عندما تضرب هاتان النبضتان المزدوجتان عينة صلبة، تدفع كل واحدة المادة لإصدار ومضات من الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة المكوَّنة من توافقيات عالية الرتبة للضوء الأصلي. وبما أن النبضتين الدافعتين متزامنتان في الطور، فإن الانبعاثين الناتجين من الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة أيضًا متزامنان ويخلقان نمط تداخل دقيق في مطياف XUV.

استكشاف نوعين مختلفين جداً من المواد الصلبة

اختبر الفريق هذه الطريقة على مادتين شفافيتين تشتركان في فجوة طاقة كبيرة لكنهما تختلفان بشدة في البنية: ثاني أكسيد السيليكون غير المتبلور (شكل زجاجي من SiO₂) وأكسيد المغنيسيوم البلّوري (MgO). في كلتيهما تهز نبضات الليزر المكثفة الإلكترونات بقوة بحيث تقفز مؤقتًا من حزام التكافؤ، حيث تقيم عادةً، إلى حزام التوصيل حيث يمكنها التحرك بحرية. هذه العملية، المعروفة بتوليد التوافقيات العالية، تنتج توافقيات ذات أرقام فردية من الضوء الدافع حتى طاقات فوتونية تقارب 16 إلكترون فولت. من خلال زيادة شدة الليزر بعناية مع الحفاظ على توازن النبضتين، راقب الباحثون كيف تحركت مواضع شرائط التداخل في كل توافقيّة، وهو ما يعكس بصورة مباشرة كيفية تغير طور ضوء الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة المنبعث.

قراءة تغيّر فجوة النطاق من إزاحات الشرائط

الأهم من ذلك أن الطريقة تفرّق بين مصدرين محتملين لإزاحة الطور. أحد الاحتمالات أن الضوء القريب من تحت الأحمر نفسه يكتسب تأخيرًا إضافيًا أثناء مروره عبر منطقة مُعدَّلة بالليزر في المادة. لاختبار ذلك كرر المؤلفون نفس تجربة التداخل في نطاق القريب من تحت الأحمر ووجدوا تغير طور يعتمد على الشدة طفيفًا جداً هناك. هذا يعني أن تغيُّرات الطور البارزة التي رصدوها في التوافقيات العالية يجب أن تنشأ من كيفية دفع الإلكترونات وإعادة اقترانها، لا من تأثيرات انتشار بسيطة. في SiO₂ غير المتبلور، تنمو إزاحات طور التوافقيات في اتجاه واحد مع ارتفاع شدة الليزر، بينما في MgO البلّوري تنمو في الاتجاه المعاكس. وبالاقتران مع دراسات سابقة، يشير هذا النمط إلى أن فجوة الطاقة بين الحالات الممتلئة والفارغة تنكمش في الصلب الشبيه بالزجاج لكنها تتسع في البلّور عند إثارة عدد كبير من الإلكترونات.

محاكيات تربط الصورة معًا

لاختبار هذا التفسير استخدم المؤلفون حسابات متقدمة على مستويين. تُظهر نظرية الدالة الكثافية أنه عندما يُرمى العديد من الإلكترونات في MgO تُحجب بعض الحالات المتاحة، مما يدفع فعليًا حافة حزام التوصيل لأعلى ويُوسِّع الفجوة. ثم تتبّع محاكاة معادلات بلوخ لشبه الموصِّف ونموذج شبه كلاسيكي أبسط كيف سيغيّر هذا الفجوة المتغيرة توقيت وطور انبعاث التوافقيات العالية. تتنبأ كلا الطريقتين بأن الفجوة المتوسعة يجب أن تدفع شرائط التداخل إلى طاقات أعلى، تمامًا كما قيس في MgO. باستخدام علاقة تقريبية بين حجم الفجوة وطور التوافقيات، يقدّر الفريق أن الفجوة يمكن أن تتغير بما يقارب إلكترون فولت واحد في غضون بضعة فيمتوثوانٍ فقط، مع إشارات معاكسة للمادتين.

لماذا هذا مهم للإلكترونيات المستقبلية

تظهر هذه التجارب والمحاكيات معًا طريقة جديدة لمراقبة كيف يُعيد المشهد الإلكتروني لمادة ما ترتيب نفسه على أسرع المقاييس الزمنية التي تسمح بها الطبيعة. باستخدام التداخل الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية المتطرفة فقط، يمكن للتقنية تمييز تغيُّرات فجوة النطاق الحادثة مؤقتًا وديناميكيات الحاملات بدقة دون دورة، من دون الحاجة إلى موصلات كهربائية أو مجسات أبطأ. هذه القدرة ذات صلة بالإلكترونيات بعشرات بيتاهيرتز في المستقبل، حيث تتحكم الحقول الضوئية بدلاً من الأسلاك في التيارات، وللدراسة الرقيقة، وأشباه الموصلات، والمواد ثنائية الأبعاد تحت ظروف قصوى. باختصار، يحول العمل شرائط التداخل إلى مقياس حساس لقياس كيف تتسع وتضيق الحواجز الطاقية التي تحدد سلوك المادة تحت إضاءة مكثفة.

الاستشهاد: Lisa-Marie Koll, Simon Vendelbo Bylling Jensen, Pieter J. van Essen, Brian de Keijzer, Emilia Olsson, Jon Cottom, Tobias Witting, Anton Husakou, Marc J. J. Vrakking, Lars Bojer Madsen, Peter M. Kraus, and Peter Jürgens, "Extreme ultraviolet high-harmonic interferometry of excitation-induced bandgap dynamics in solids," Optica 12, 1606-1614 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.559022

الكلمات المفتاحية: توليد التوافقيات العالية, الطيفية فائقة السرعة, ديناميكيات فجوة النطاق, التداخل بالأشعة فوق البنفسجية المتطرفة, المواد الصلبة في المجال القوي