ذهبت جائزة نوبل للفيزياء لعام 2023 إلى ثلاثة علماء، نظراً "لطرقهم التجريبية التي تولّد نبضات ضوئية باتوثانية (مليار من مليار جزء من الثانية) لدراسة ديناميكيات الإلكترون في المادة"، بحسب بيان الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم، التي تمنح الجائزة.
العلماء الثلاثة الذين حصدوا الجائزة المرموقة هم: الفرنسي بيار أغوستيني، والمجري - النمساوي فيرينس كراوس، والفرنسية - السويدية آن لويلييه، علماً بأنهم حصدوا الجائزة نظير أبحاثهم المتعلقة بأدوات لاستكشاف الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات.
أحدث عمل وأبحاث هؤلاء العلماء ثورة في كيفية دراسة العلماء للإلكترون، من خلال إضاءة الجزيئات بومضات من الضوء تبلغ مدتها أتوس ثانية. ولكن ما هو طول الأتوثانية، وما الذي يمكن أن تخبره هذه النبضات القصيرة للغاية للباحثين عن طبيعة المادة؟
ما الأتوثانية؟
"Atto" هي بادئة التدوين العلمي التي تمثل 10^-18، وهي علامة عشرية يتبعها 17 صفرًا و1. لذا فإن وميض الضوء الذي يدوم أتوثانية، أو 0.000000000000000001 من الثانية، هو نبضة ضوئية قصيرة للغاية.
في الواقع، يوجد تقريبًا عدد الأتوثانية في الثانية الواحدة مثل عدد الثواني في عمر الكون. في السابق، كان بإمكان العلماء دراسة حركة النوى الذرية الأثقل والأبطأ حركة باستخدام نبضات ضوئية بالفيمتو ثانية (10-15). ألف أتوثانية موجودة في 1 فيمتو ثانية. لكن الباحثين لم يتمكنوا من رؤية الحركة على مقياس الإلكترون حتى يتمكنوا من توليد نبضات ضوئية من الأتوثانية - تتحرك الإلكترونات بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع العلماء تحليل ما يصلون إليه بالضبط عند مستوى الفيمتو ثانية.
إن إعادة ترتيب الإلكترونات في الذرات والجزيئات توجه الكثير من العمليات في الفيزياء، وهي أساس كل جزء من الكيمياء تقريبًا. ولذلك، بذل الباحثون الكثير من الجهد لمعرفة كيفية تحرك الإلكترونات وإعادة ترتيبها.
التحليل الطيفي
تتحرك الإلكترونات بسرعة كبيرة في العمليات الفيزيائية والكيميائية، مما يجعل دراستها صعبة. للتحقيق في هذه العمليات، يستخدم العلماء التحليل الطيفي، وهو طريقة لفحص كيفية امتصاص المادة للضوء أو انبعاثه. ومن أجل متابعة الإلكترونات في الوقت الفعلي، يحتاج الباحثون إلى نبضة ضوئية أقصر من الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات لإعادة ترتيبها.
على سبيل المثال، تخيل كاميرا يمكنها التقاط تعريضات ضوئية أطول، حوالي ثانية واحدة. الأشياء المتحركة، مثل شخص يركض نحو الكاميرا أو طائر يطير عبر السماء، ستظهر ضبابية في الصور الملتقطة، وسيكون من الصعب رؤية ما يحدث بالضبط.
ثم تخيل أنك تستخدم كاميرا ذات تعريض ضوئي يبلغ 1 مللي ثانية. الآن، سيتم تصوير لقطات واضحة ودقيقة. هذه هي الطريقة التي يمكن بها استخدام مقياس الأتوثانية، بدلاً من مقياس الفيمتو ثانية، لإلقاء الضوء على سلوك الإلكترون.
أهمية الأتوثانية
أولاً، يعد كسر الرابطة الكيميائية عملية أساسية في الطبيعة حيث تنفصل الإلكترونات المشتركة بين ذرتين إلى ذرات غير مرتبطة. تخضع الإلكترونات المشتركة سابقًا لتغيرات فائقة السرعة خلال هذه العملية، وقد أتاحت نبضات الأتوثانية للباحثين متابعة كسر الرابطة الكيميائية في الوقت الفعلي.
أصبحت القدرة على توليد نبضات الأتوثانية ممكنة لأول مرة في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، واستمر هذا المجال في النمو بسرعة منذ ذلك الحين. من خلال توفير لقطات أقصر للذرات والجزيئات، ساعد التحليل الطيفي للأتوسيكوند الباحثين على فهم سلوك الإلكترون في الجزيئات المفردة، مثل كيفية هجرة شحنة الإلكترون وكيفية تفكك الروابط الكيميائية بين الذرات.
على نطاق أوسع، تم أيضًا تطبيق تقنية الأتوثانية لدراسة كيفية تصرف الإلكترونات في الماء السائل وكذلك نقل الإلكترون في أشباه الموصلات في الحالة الصلبة، ومع استمرار الباحثين في تحسين قدرتهم على إنتاج نبضات ضوئية من الأتوثانية، سيكتسبون فهمًا أعمق للجسيمات الأساسية التي تشكل المادة.
اقرأ أيضاً:
تلسكوب “جيمس ويب” يسجل انفجارات شمسية مثيرة!
تقديرات متباينة حول عدد الحيوانات التي تواجدت على كوكب الأرض.. ما سر الاختلاف؟
3 علماء يفوزون بها.. جائزة نوبل في الفيزياء تُمنح لأبحاث الإلكترونات
