از عمر جهان چند ثانیه می‌گذرد؟

یک گروه متشکل از سه محقق جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۳ را به خاطر تلاش‌هایی که منجر به تحول عظیمی در مورد نحوه مطالعه دانشمندان بر روی الکترون‌ها شد، دریافت کردند. آنها با روشن کردن مولکول‌ها با فلاش‌های نور در زمان آتوثانیه این کار را انجام دادند. اما آتوثانیه چقدر طول می‌کشد و این پالس‌های بی‌نهایت کوتاه، چه چیزی را در مورد ماهیت ماده به محققان می‌گوید؟

من اولین بار به عنوان یک دانشجوی کارشناسی ارشد در رشته شیمی فیزیک با این حوزه تحقیقاتی آشنا شدم. گروه مشاور دکترای من در پروژه‌ای به مطالعه برروی واکنش‌های شیمیایی با پالس‌های آتوثانیه می‌پرداخت. قبل از درک این موضوع که چرا تحقیقات آتوثانیه به معتبرترین جایزه فیزیک منجر شد ، باید به درک این موضوع بپردازیم که پالس نور آتوثانیه چیست؟

یک آتوثانیه چقدر طول می‌کشد؟

"آتو" یک پیشوند نماد علمی است که نشان دهنده ۱۰ به توان ۱۸- است. یعنی یک عدد اعشاری با هفده صفر و سپس عدد یک. یک فلش نور که یک آتوثانیه (۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱) طول می‌کشد، یک پالس بسیار کوتاه از نور است. در حقیقت تقریبا تعداد آتوثانیه‌های موجود در یک ثانیه، به اندازه تعداد ثانیه‌هایی است که از عمر جهان هستی می‌گذرد.

پیش از این دانشمندان می‌توانستند حرکت هسته‌های اتمی سنگین‌تر و آهسته‌تر را با پالس‌های نوری فمتوثانیه (۱۰ به توان ۱۵- پالس نوری) مطالعه کنند. هزار آتوثانیه معادل یک فمتوثانیه است. اما محققان تا قبل از زمانی که پالس‌های نوری آتوثانیه‌ای را تولید کردند، نمی‌توانستند حرکات در مقیاس الکترونی را ببینند. (سرعت حرکت الکترون‌ها تا حدی بالاست که دانشمندان نمی‌توانند دقیقا آنچه که در سطح فمتوثانیه انجام می‌دهند را تجریه کنند)

پالس‌های آتوثانیه چه می‌کند؟

بازآرایی و چینش مجدد الکترون‌ها در اتم‌ها و مولکول‌ها فرآیندهای زیادی را در علم فیزیک هدایت می‌کند و عملا زیربنای تک تک بخش‌های علم شیمی است؛ در نتیجه دانشمندان تلاش زیادی را به کار گرفتند تا چگونگی حرکت و بازآرایی مجدد الکترون‌ها را دریابند.

الکترون‌ها در فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی با سرعت بالایی به اطراف حرکت می‌کنند و همین کار مطالعه درباره آنها را سخت کرده است. برای بررسی این فرآیندها، دانشمندان از طیف‌سنجی استفاده می‌کنند که روشی برای بررسی چگونگی جذب یا انتشار نور ماده است. آنها برای تعقیب الکترون‌ها در زمان واقعی، به یک پالس نور نیاز داشتند که کوتاه‌تر از زمان لازم برای بازآرایی مجدد الکترون‌ها باشد.

به عنوان یک قیاس، دوربینی را تصور کنید که فقط می‌تواند نوردهی طولانی، در حدود ۱ ثانیه داشته باشد. اشیای درحال حرکت، مثل انسانی که به سمت دوربین می‌دود یا یک پرنده در حال پرواز در آسمان، ممکن است در عکس‌ها تار به نظر برسند و این کار را برای تشخیص اینکه چه در حال رخ دادن است سخت خواهد کرد.

حالا تصور کنید که از دوربینی با نوردهی ۱ میلی‌ثانیه استفاده می‌کنید. حالا حرکاتی که در مثال قبل درموردشان صحبت کردیم، به خوبی در عکس‌ها، به شکلی دقیق و واضح ظاهر می‌شوند. مقیاس آتوثانیه هم در مقایسه با مقیاس فمتوثانیه به همین ترتیب عمل کرده و به خوبی می‌تواند رفتار الکترون‌ها را به نمایش بگذارد.

تحقیقات درباره آتوثانیه

پالس‌های آتوثانیه در پاسخ به چه نوع سوالاتی به ما کمک خواهند کرد؟

مثلا شکستن یک پیوند شیمیایی، فرآیندی اساسی در طبیعت به شمار می‌رود که در جریان آن الکترون‌هایی که بین دو اتم مشترک هستند، به صورت اتم‌های غیرپیوندی جدا می‌شوند. الکترون‌هایی که قبلا به اشتراک گذاشته شده بودند، در طول این فرآیند دستخوش تغییرات فوق سریعی شده و پالس‌های آتوثانیه این امکان را برای محققان فراهم خواهد کرد که شکستن یک پیوند شیمیایی را در زمان واقعی دنبال کنند.

توانایی ایجاد پالس‌های آتوثانیه ( دقیقا همین پژوهشی که سه دانشمند برای آن جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۳ را مال خود کردند) برای اولین بار در اوایل دهه ۲۰۰۰ محقق شد و از آن زمان به بعد، پیشرفت‌های چشمگیری در این زمینه حاصل شده. طیف سنجی آتوثانیه‌ای با ارائه عکس‌هایی در بازه‌های زمانی کوتاه‌تر از اتم‌ها و مولکول‌ها، به محققان در مسیر درک رفتار الکترون‌ها در مولکول‌های منفرد (از جمله نحوه مهاجرت بار الکترون و همچنین شکستن پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها) کمک زیادی کرده است.

در مقیاس بزرگ‌تر، فناوری آتوثانیه در راستای مطالعه نحوه رفتار الکترون‌ها در آب و انتقال الکترون‌ها در مواد نیمه هادی جامد مورد استفاده قرار گرفته است. در حالی که محققان در حال بهبود توانایی‌هایشان در تولید پالس‌های نوری آتوثانیه هستند، درک عمیق‌تری نیز از ذرات اساسی تشکیل دهنده ماده به دست خواهند آورد.