«دوربین فوق‌سریع» برای تماشای حرکت الکترون‌ها ساخته شد

دانشمندان با ترکیب دو پالس لیزری فوق‌کوتاه که از جهت‌های متفاوت به یکدیگر می‌رسند، موفق به ایجاد میدان‌های نوری سه‌بعدی شده‌اند.

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از ستاد نانو، این روش نه‌تنها ابزار تازه‌ای برای مطالعه برهم‌کنش نور و ماده در اختیار فیزیک‌دانان قرار می‌دهد، بلکه می‌تواند مسیرهای جدیدی برای شناسایی ساختارهای کایرال و کنترل دقیق حالت‌های کوانتومی الکترون‌ها باز کند.

این پژوهش به سرپرستی پروفسور ماتیاس وولنهاوپت (Matthias Wollenhaupt) از دانشگاه اولدنبورگ انجام شده و نتایج آن در مجله علمی Physical Review Research در مقاله‌ای با عنوان «یونش چندفوتونی با میدان‌های نوری سه‌بعدی» منتشر شده است.

ایده اصلی پژوهش بر استفاده از دو پالس لیزری بسیار کوتاه استوار است. این پالس‌ها تنها چند میلیونیمِ یک میلیاردم ثانیه دوام دارند و در دسته پالس‌های لیزری فمتوثانیه‌ای قرار می‌گیرند. پژوهشگران با شکل‌دهی ویژه به این پالس‌ها و استفاده از دو پرتو لیزری با رنگ‌های متفاوت، آن‌ها را به‌گونه‌ای در یک محفظه خلأ با یکدیگر تداخل دادند که در نقطه برخورد، میدان نوری سه‌بعدی شکل گرفت.

در یک میدان نوری معمولی، تغییرات میدان را می‌توان در راستاهای مشخصی بررسی کرد؛ اما در روش جدید، میدان ایجادشده در هر سه جهت فضایی نوسان می‌کند. همین ویژگی به پژوهشگران امکان می‌دهد شکل و ویژگی‌های میدان نوری را با دقت بیشتری تنظیم کنند و از آن برای دست‌کاری برهم‌کنش‌های خاص میان نور و ماده بهره بگیرند.

داریوس کونکه (Darius Köhnke)، یکی از دو نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکتری گروه «دینامیک همدوس فوق‌سریع» در دانشگاه اولدنبورگ، توضیح می‌دهد که نوسان میدان در هر سه جهت فضایی، فرصت‌های تازه‌ای برای بررسی و کنترل برهم‌کنش‌های مشخص میان نور و ماده ایجاد می‌کند. به گفته پژوهشگران، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این روش آن است که می‌توان با میدان‌های نوری سه‌بعدی، الکترون‌ها را به حالت‌های کوانتومی خاصی رساند که پیش‌تر امکان ایجاد آن‌ها در آزمایش‌ها وجود نداشت.

پژوهشگران برای نشان دادن قابلیت این روش، آزمایش خود را روی اتم‌های پتاسیم انجام دادند. آن‌ها با استفاده از میدان نوری سه‌بعدی، الکترون‌های این اتم‌ها را به‌صورت انتخابی به ترازهای انرژی بالاتر، موسوم به حالت‌های برانگیخته، منتقل کردند و سپس آن‌ها را از اتم جدا کردند.

اما اهمیت آزمایش تنها به ایجاد این حالت‌های برانگیخته محدود نمی‌شد. دانشمندان توانستند تغییرات حالت الکترون‌ها را در فاصله‌های زمانی بسیار کوتاه نیز به‌صورت هم‌زمان مشاهده کنند. این ویژگی باعث شد روش جدید به نوعی «دوربین فوق‌سریع» برای مشاهده فرایندهای کوانتومی شباهت پیدا کند؛ گویی دانشمندان با استفاده از فلاش‌های پی‌درپی، مراحل متوالی تحول یک فرایند بسیار سریع را ثبت کرده‌اند و از کنار هم قرار دادن این تصاویر، فیلمی از تکامل حالت‌های مختلف الکترون ساخته‌اند.

وولنهاوپت در توضیح اهمیت این دستاورد می‌گوید این روش امکان ایجاد حالت‌های کوانتومی الکترونی را فراهم می‌کند که پیش‌تر تنها به‌صورت نظری توصیف شده بودند. از سوی دیگر، پژوهشگران اکنون می‌توانند این حالت‌ها را از نظر فضایی نیز مشاهده کنند. به این ترتیب، جعبه‌ابزار تجربی فیزیک‌دانان برای مطالعه نور و ماده، با افزودن گونه جدیدی از میدان‌های نوری سه‌بعدی گسترش یافته است.

یکی از جذاب‌ترین کاربردهای احتمالی این فناوری، مطالعه مولکول‌های کایرال است؛ مولکول‌هایی که در زیست‌شناسی و پزشکی اهمیت فراوانی دارند. مولکول کایرال را می‌توان به دو شکل متفاوت تصور کرد که تصویر آینه‌ای یکدیگر هستند، اما نمی‌توان آن‌ها را کاملاً بر هم منطبق کرد؛ درست مانند دست چپ و دست راست انسان که از نظر ظاهری شبیه یکدیگرند، اما بر یکدیگر منطبق نمی‌شوند.

کایرالیته در بسیاری از مولکول‌های زیستی، ازجمله اسیدهای آمینه، کربوهیدرات‌ها و مواد مؤثره دارویی دیده می‌شود. نکته مهم این است که دو شکل آینه‌ای یک مولکول لزوماً رفتار یا اثر یکسانی ندارند و گاهی تفاوت میان آن‌ها می‌تواند پیامدهای بسیار مهمی برای سلامت انسان داشته باشد.

نمونه شناخته‌شده این موضوع، تالیدومید (Thalidomide) است؛ ماده مؤثره دارویی که در داروی کنتراگان (Contergan) به کار می‌رفت. یکی از شکل‌های این مولکول با بروز ناهنجاری‌های مادرزادی در دوران بارداری ارتباط داشت، در حالی که شکل دیگر چنین اثر زیان‌باری نداشت. همین تفاوت نشان می‌دهد چرا تشخیص و تفکیک دقیق اشکال مختلف مولکول‌های کایرال در علوم دارویی و زیست‌پزشکی اهمیت زیادی دارد.

با این حال، شناسایی و تمایز دو شکل آینه‌ای یک مولکول همیشه ساده نیست. از همین رو، پژوهشگران امیدوارند میدان‌های نوری سه‌بعدی بتوانند افق‌های تازه‌ای را در حوزه شناسایی کایرالیته مولکولی ایجاد کنند.

وولنهاوپت می‌گوید مطالعات نظری نشان داده‌اند که میدان‌های نوری سه‌بعدی خود نیز می‌توانند ویژگی‌های کایرال داشته باشند. این ویژگی، احتمال استفاده از چنین میدان‌هایی برای بررسی و کنترل دقیق‌تر کایرالیته مولکول‌ها را مطرح می‌کند؛ حوزه‌ای که می‌تواند در آینده برای مطالعه ساختارهای مولکولی و برهم‌کنش‌های پیچیده آن‌ها با نور اهمیت پیدا کند.

اهمیت این مسیر پژوهشی پیش‌تر نیز مورد توجه اولگا اسمیرنوا (Olga Smirnova)، فیزیک‌دان مؤسسه ماکس بورن برای اپتیک غیرخطی در برلین، قرار گرفته است. او در مقاله‌ای با عنوان «عصر جدید کایرالیته مولکولی» که در مجله Science منتشر شده، به ظرفیت‌های میدان‌های نوری سه‌بعدی برای بررسی کایرالیته مولکولی پرداخته است.

پژوهشگران دانشگاه اولدنبورگ معتقدند نتایج مطالعه جدید می‌تواند یکی از پایه‌های تجربی لازم برای توسعه چنین کاربردهایی را فراهم کند. از کنترل حالت‌های کوانتومی الکترون‌ها گرفته تا مشاهده مستقیم تحول آن‌ها و بررسی ساختارهای کایرال، میدان‌های نوری سه‌بعدی چشم‌اندازی تازه از چگونگی استفاده از نور برای کنترل ماده در مقیاس کوانتومی ارائه می‌دهند.

این دستاورد در نهایت نشان می‌دهد که نور تنها ابزاری برای مشاهده جهان نیست؛ با طراحی دقیق میدان‌های نوری، می‌توان از آن به‌عنوان ابزاری برای شکل‌دهی و کنترل رفتار ذرات در مقیاس کوانتومی نیز استفاده کرد.

کد مطلب 6975322 مهتاب چابوک