نگاهی ‌سریع به اتم‌ها و مولکول‌ها

برای مشاهده حرکت الکترون‌ها در اتم‌ها باید بسیار سریع بود. این بار
فیزیک‌دانانی از مرکز فوتونیک پیشرفته مونیخ(MAP) به این سرعت دست یافته‌اند.
در این راه، آنها با محققانی از چشمه نوری پیشرفته‌ی برکلی و گروهی از محققان
در MPQ ـ که به‌وسیله پروفسور فرنس کراوز هدایت می‌شدند ـ و محققانی از LMU
همکاری می‌کرده‌اند. آنها توانستند تا با ساخت پالس‌های لیزری با طول ‌عمر
تقریبی ۸۰ آتوثانیه، برای نخستین بار مترولوژی را به محدوده زیر صد آتوثانیه
وارد کنند؛ به این ترتیب می‌توان حرکات سریع‌ترین الکترون‌ها در درون اتم‌ها،
مولکول‌ها و جامدها را مشاهده کرد. مشاهده فرایندهای الکترونی می‌تواند به
توسعه چشمه‌های نوری جدید، شناسایی منشأ میکروسکوپی بیماری‌های خطرناک و یا به
پیشرفت تدریجی پردازش داده الکترونیک منجر گردد.

در ریزمقیاس، حرکات بسیار سریع ذرات در اتم‌ها و جهش آنها بین اتم‌های مجاور در
یک مولکول، موجب می‌شود تا نوری با طیف مرئی، فرابنفش یا اشعه ایکس از آنها
تابش شود. علاوه بر این، این جهش‌ها به معیوب‌ گشتن و عملکرد نادرست مولکول‌های
زیستی و یا به اختلال در انتقال اطلاعات زیستی در اعصاب منجر می‌گردند. برای
مشاهده این جهش‌ها به فناوری‌هایی نیاز است که چنین زمان‌های کوتاهی(تنها چند
آتوثانیه) را اندازه‌گیری می‌کنند. هم‌اکنون این کار به کمک پالس‌های نوری ممکن
شده‌است.

فیزیک‌دانانِ MPQ، برای تولید پالس‌های آتوثانیه‌ از میدان الکتریکی قوی فلش‌ها
در نور لیزر زیرقرمز، استفاده کردند. در فلش‌های لیزر فوق‌کوتاه، میدان مذکور
به‌ندرت بیش از یک نوسان قوی منفرد ـ که دوره تناوبی در حدود ۵/۲ فتموثانیه(هر
فتموثانیه هزار آتوثانیه است) دارد، انجام می‌دهد. نیروی واردشده از سوی میدان
به الکترون‌ها در قله‌های نوسان، بیشینه و در قعر، کمینه است. این نیرو قادر به
آزادسازی الکترون‌های استخراج‌شده از اتم‌های گاز نجیب است. حاصل این فرایند
تشکیل دسته‌های یونی است. با ادامه نوسان و تغییر جهت نیرو، الکترون‌ها به درون
دسته‌های یونی بازگردانده می‌شوند؛ به این ترتیب، نوسان‌های الکترونی‌ای ایجاد
می‌شوند که تنها چند آتوثانیه طول می‌کشند و فلش‌هایی با چنین دوره تناوبی(نور
فرابنفش نهایی با طول‌موج ۱۰ تا ۲۰ نانومتر) تابش می‌کنند.

هم‌اکنون محققانِ MPQ، توانسته‌اند تا با تولید کنترل‌شده چنین نوسان منفردی در
درون یک فلش لیزر فوق‌کوتاه، برای نخستین بار الکترون‌ها را دقیقاً سه بار در
حین یک پالس لیزر منفرد آزادسازی کنند. این الکترون‌ها در بازگشت به یون،
دقیقاً سه پالس آتوثانیه‌ تابش می‌کنند که به این ترتیب هر فلش لیزر فتموثانیه،
سه پالس آتوثانیه‌ تولید می‌کند که پس از فیلترسازی، تنها یک پالس اشعه ایکس با
طول ‌عمر ۸۰ آتوثانیه‌ باقی‌ می‌ماند.

هم‌اکنون محققانِ MPQ در حال توسعه فناوری اندازه‌گیری برای چنین ابعاد کوچکی
هستند. بنا به اظهارات آنها پالس‌های کوچک‌تر از صد آتوثانیه، دستیابی به
اطلاعات دینامیکی الکترون(همانند اندرکنش‌های الکترون-الکترون) را ممکن
می‌سازند. علاوه بر این به کمک چنین پالس‌هایی می‌توان فرایندهای میکروسکوپی‌ای
چون انتقال انرژی بین الکترون‌ها و یا واکنش ذرات به اثرات خارجی ـ که تنها ظرف
چند آتوثانیه رخ می‌دهند ـ را مشاهده و آشکارسازی نمود.

نتایج این تحقیق در نشریه Science به چاپ رسیده‌است.