شاهد البزموت أثناء الذوبان

تقنية الالتقاط ذات الإمكانات العالية للدقة الزمنية لعمليات فائق السرعة

لتحديد الوقت الدقيق لوصول نبضة الأشعة السينية ، يستخدم العلماء بلورة كهربائية ضوئية (خضراء) ، يتم وضعها بجوار حزمة الإلكترون (أبيض) في المعجل الخطي قبل وقت قصير من توليد الأشعة السينية. يشير الليزر (الأحمر) إلى التغيرات التي تحدث في البلورة بسبب تدفق الإلكترونات ، وبالتالي يقيس الوقت بالضبط عندما تصل شعاع الإلكترون - وبالتالي نبضات الأشعة السينية -. © معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية
قراءة بصوت عال

مع الأشعة السينية ، تتبع فريق دولي من العلماء لأول مرة التغييرات التي تمر بها مادة صلبة قبل ذوبانها مباشرة. وقال الباحثون في مجلة ساينس العلمية إن القياسات التي أجريت على نظام بسيط نسبيًا ـ وهو فيلم رقيق من معدن البزموت ـ أجريت.

يوضح القياس الإمكانات العالية لما يسمى تقنية الإثارة-الاستجواب في الدقة الزمنية لعمليات فائق السرعة. في هذه الطريقة ، يتم أولاً بدء العملية الذرية في المادة بنبض ضوء شديد القصر. يتم تحديد التغييرات الناتجة عن طريق مزيد من نبضات الضوء التي تضرب الجسم على مسافة من التأخير الزمني المحدد.

في هذه التجربة ، التي شارك فيها باحثان من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في جارشينج ، فيلم بسماكة 50 نانومتر من البزموت مع 70 فمتوثانية - تتطابق إحدى فمتوثانية مع 10-15 ثانية - نبضات ضوئية طويلة لياقوت التيتانيوم جلب الليزر (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء) إلى حالة شديدة الإثارة.

نظرًا لأن طاقة الليزر لا تكفي لإذابة المادة ، فإن الذرات تعود إلى حالتها الطبيعية في أقل من نانوثانية - بليون من الثانية. قام الباحثون حول David Fritz بالتحقيق في كيفية تغير بنية الحالة الصلبة بعد الإثارة بقصف الفيلم باستخدام Pulse Sub-Picosecond Pulse Source (SPPS) في مركز تسريع خطي ستانفورد (SLAC) في ستانفورد ، الولايات المتحدة الأمريكية.

ساعة توقيت لنبضات الليزر

من أجل أن تكون قادرة على إعادة بناء العمليات في الوقت المناسب تماما ، يجب على العلماء معرفة بالضبط متى نبضات الضوء المنبه أو نبضات الأشعة السينية المواد. المشكلة هي أنه على الرغم من أن نبضات ليزر الأشعة تحت الحمراء تأتي في فترات زمنية محددة بدقة وموثوق بها ، لا يمكن التحكم في نبضات الأشعة السينية من مسرع خطي بشكل جيد. بمساعدة بلورة كهربائية ضوئية ، نجح باحثان MPQ ، راينهارد كينبرغر وأدريان كافاليري ، في تطوير نوع من ساعة توقيت ، يمكن من خلالها تحديد أوقات وصول النسبي للنبضات بالدقة المطلوبة. عرض

فور اصطدام نبض الليزر المثير ، تصبح الروابط بين الذرات في المادة الصلبة أضعف. نتيجة لذلك ، تخرج النواة الذرية عن توازنها ، مثل الرخام ، الذي يرفع من قاع الكآبة إلى الجدران المنحدرة. بعد إطلاقه (أي بعد نبض الليزر) ، يعود النواة إلى مركز الكساد ، وقبل أن يستقر هناك - في حالة توازن - فإنه يجعل أصغر الاهتزازات حول النقطة المنخفضة. باستخدام تقنية الإثارة الاستعلام المبينة أعلاه ، حدد الباحثون وتيرة هذه التذبذبات. من هذا ، استطاعوا تحديد القوى التي تمسك الذرات ببعضها ، وهذا يتوقف على الوقت الذي انقضى منذ الحافز.

استخدام FEL كأدوات

أولاً ، يمكن إعادة بناء "خريطة" معتمدة على الوقت للسطح المحتمل للجسم الصلب الذي تظهر منه القوى الذرية الداخلية. والمثير للدهشة أن النتائج التي تم الحصول عليها في فيلم البزموت غير المتوازن يمكن تفسيرها فقط بتغيير متواضع ، وهو أمر محتمل عادة يصف أنظمة التوازن.

كانت SPPS بمثابة حقل اختبار للليزر الإلكترون الحر الجديد (FEL) ، مصدر الضوء المتماسك Linac Coherent (LCLS) ، الذي يتم بناؤه الآن على SLAC. مع هذا المصدر الأقوى بكثير ، يمكن دراسة أنظمة أكثر تعقيدًا من البزموت ، والتي قد تلعب دورًا رئيسيًا في مجالات أخرى مثل الطب أو الطاقة المتجددة ، بطريقة مماثلة.

وبالتالي تمثل التجربة علامة فارقة على الطريق لاستخدام FELs في المستقبل كأدوات. يهتم الباحثون في MPQ و SLAC بنفس القدر في مجال الفيزياء هذا.

(idw - معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية ، 12.02.2007 - DLO)