تولید کوتاه‌ترین سیگنال توسط انسان/ مشاهده واکنش‌های هسته‌ای امکان‌پذیر می‌شود

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، دانشمندان دانشگاه کنستانز با استفاده از فلش‌های نور فمتوثانیه، پالس‌های الکترونی با مدت‌زمان حدود پنج آتوثانیه تولید کردند. فمتوثانیه برابر با ۱۰ به توان منفی ۱۵ ثانیه (یک میلیون میلیاردیُم ثانیه) است. نسبت یک فمتوثانیه به یک ثانیه مانند نسبت یک ثانیه به ۳۱٫۷ میلیون سال است.

اَتوثانیه برابر با ۱۰ به توان منفی ۱۸ ثانیه است. نسبت یک اتوثانیه به یک ثانیه مانند نسبت یک ثانیه است به ۳۱٫۷۱ میلیارد سال یا دو برابر عمر جهان است. این پیشرفت با ارائه وضوح زمانی بالاتر از امواج نور، راه را برای مشاهده پدیده‌های فوق سریع مانند واکنش‌های هسته‌ای هموار می‌کند.

فرآیند‌های مولکولی یا حالت جامد در طبیعت گاهی اوقات می‌توانند در بازه‌های زمانی کوتاهی مانند فمتوثانیه یا آتوثانیه اتفاق بیفتند. واکنش‌های هسته‌ای حتی سریع‌تر است. اکنون «ماکسیم تسارف، یوهانس ترنر، و پیتر باوم» (Maxim Tsarev, Johannes Thurner, Peter Baum)، دانشمندان دانشگاه کنستانز، از مجموعه آزمایش جدیدی برای دستیابی به سیگنال‌هایی با مدت‌زمان آتوثانیه، یعنی میلیاردم نانوثانیه استفاده می‌کنند که چشم‌انداز‌های جدیدی را در زمینه پدیده‌های فوق سریع باز می‌کند.

حتی امواج نور نمی‌توانند به چنین وضوح زمانی برسند، زیرا یک نوسان منفرد برای آن، زمان بسیار زیادی طول می‌کشد. اما الکترون‌ها می‌توانند در این کار مؤثر واقع شوند چراکه وضوح زمانی بسیار بالاتری را امکان‌پذیر می‌کنند. این دانشمندان در مجموعه آزمایشی خود، از فلش‌های نوری فمتوثانیه‌ای جفتی یک لیزر برای تولید پالس‌های الکترونی بسیار کوتاه در یک پرتو فضای آزاد استفاده کردند.

مشابه امواج آب، امواج نور نیز می‌توانند روی هم قرار گیرند و تاج‌ها و فرورفتگی‌های موج ایستاده یا در حال حرکت را ایجاد کنند. فیزیکدانان زوایا و فرکانس‌های فرود را طوری انتخاب کردند که الکترون‌های هم‌نشر، که در خلأ با نیمی از سرعت نور در خلأ پرواز می‌کنند، با تاج‌های موج نوری و فرورفتگی‌هایی با همان سرعت همپوشانی داشته باشند.

پس از آن چیزی که به‌عنوان نیروی خطی پوندروموتیو شناخته می‌شود، الکترون‌ها را در جهت فرورفتگی موج بعدی هل می‌دهد. بنابراین، پس از یک برهمکنش کوتاه، یک سری پالس‌های الکترونی تولید می‌شود که از نظر زمانی بسیار کوتاه‌اند به‌ویژه در وسط قطار پالس، جایی که میدان‌های الکتریکی بسیار قوی هستند.

برای مدت کوتاهی، دوره زمانی پالس‌های الکترونی تنها حدود پنج آتوثانیه است. به‌منظور درک این فرآیند، محققان توزیع سرعت الکترون‌ها را که پس از فشرده‌سازی باقی می‌ماند، اندازه‌گیری می‌کنند.

ترنر می‌گوید: به‌جای سرعت بسیار یکنواخت پالس‌های خروجی، توزیع بسیار گسترده‌ای را مشاهده می‌کنید که از کاهش یا شتاب شدید برخی از الکترون‌ها در جریان فشرده‌سازی ناشی می‌شود. علاوه بر این، گفتنی است توزیع هموار و یکدست نیست بلکه از هزاران مرحله سرعت تشکیل شده است، زیرا تنها تعداد معینی از جفت ذرات نور می‌توانند در یک زمان با الکترون‌ها برهم‌کنش داشته باشند.

باوم می‌گوید: مزیت بزرگ این است که هیچ ماده‌ای در اصل تجربی دخالت ندارد و همه چیز در فضای آزاد اتفاق می‌افتد. اصولاً لیزر‌ها با هر توانی می‌توانند در آینده برای فشرده‌سازی قوی‌تر استفاده شوند. فشرده‌سازی دو فوتون جدیدمان به ما اجازه می‌دهد تا به ابعاد جدیدی از زمان برویم و شاید حتی از واکنش‌های هسته‌ای فیلم‌برداری کنیم.

نتایج این پژوهش در جدیدترین شماره نشریه «نیچر فیزیک» (Nature Physics) منتشر شده است.