إإنتاج نبضات ليزرية فائقة الطاقة عند تراكيز عالية الدقة
- ناصر الزايد
- 4 نوفمبر 2022
- 3 دقائق قراءة
إإنتاج نبضات ليزرية فائقة الطاقة عند تراكيز عالية الدقة
أ.د. ناصر بن صالح الزايد 2 شوال 1442
تحدثت في أكثر من مكان حول الجيل الجديد الواعد من الليزرات قصيرة العمر (فيتموثانية وأتوثانية) وأنها تبشر بعهد جديد من المكتشفات والتطبيقات، كما أنها تخدم مجالات علمية كانت بحاجة ماسة لهذا التطور مثل مجال (فيزياء الكهروديناميكا الكمية عند الحقول القوية (يهتم بتفاعل الفوتونات مع المادة)).
في هذا المجال، تمكن علماء في معهد العلوم الأساس في كوريا الجنوبية من إنتاج ليزر طاقتها تفوق 1.1x10²³ W/cm² مركزة في نقطة نصف قطرها يبلغ 1 مايكرومتر، وذلك بعد 10 سنوات من البحث. وهذا الرقم يمثل 10 أضعاف الرقم السابق في 2004 من جامعة متشيقان، وتعادل 10 نبضات منه كامل الطاقة الشمسية الواصلة للأرض في اية لحظة !. طبعا هؤلاء العلماء لم يتدخلوا في إنتاج الليزر بل استخدموا مصادر متوفرة ولكن كان تركيزهم على فكرة تجميع الأشعة وتركيزها في حيز ضيق. يبشر هذا الاكتشاف بمزيد من اختبارات تفاعلات الضوء مع المادة. على سبيل المثال ربما تساعد على فهم لغز بعض الأشعة الكونية التي لديها طاقات عالية تفوق 10¹⁵eV وهي تصل إلى الأرض من مسافات بعيدة وراء المجرة.
سوف تمكن هذه الليزر العلماء من فهم تفاعلات الفوتون-فوتون ('ᵞ-ᵞ) والفوتون-إلكترون (⁻ᵞ-e) وبالتالي فحص بعض الأطروحات النظرية في هذا المجال.
تم استخدام نظام ليزري فيتموثانوي لهذا الغرض حيث يتم إنتاج نبضة ليزرية تستمر فقط لفترة 20 فيمتوثانية (الفيمتو ثانية = 1 مقسوما على الف ترليون من الثانية) ولكنها مركزة في مساحة متناهية في الصغر (1 مايكرومتر مربع)، وحتى تتخيل مقدار الطاقة الهائلة التي تحملها هذه النبضة، فهي تعادل 1000 ضعف جميع الطاقة الكهربائية المنتجة على وجه الأرض (بالواط)! أو كما سبق (عشر الطاقة الشمسية الواصلة للأرض في نفس اللحظة الزمنية)، حيث تم استخدام نظام تجميع بصري مطور لهذا الغرض يسمح بإنتاج موجات ليزرية حادة جدا ويتم التحكم بها بدقة فائقة مكنتهم من تجميع أشعة ليزرية تتوزع أساسا على 28 سم² لكي تصبح مركزة في 1 مايكرومتر² فقط فصارت كثافة الطاقة الناتجة تفوق 1.1x10²³ W/cm² .
هذه الطاقة العالية سمحت للفريق البحثي من إنتاج إلكترونات تفوق طاقتها 1 GeV ويتم فيها تصادم بين الألكترونات وأعداد كبيرة من الفوتونات في نفس الوقت. تسمى هذه العملية علميا: تشتت كومبتون غير الخطي Nonlinear Compton Scattering وعند هذه الطاقات يمكن لتشتت كومبتون أن ينتج أعدادا مكثفة من أشعة جاما تعود لكي تستخدم فيما يسمى Breit–Wheeler pair production (تصادم فوتونين ينتج عنه إلكترون وبوزيترون ᵞᵞ'⟶e-e ) ويعتقد بأنها تقع وراء إنتاج الأشعة الكونية فائقة الطاقة المشار إليها سابقا.
ملاحظة أولى: كيف يتم ضغط هذه الأعداد الكثيفة من الفوتونات في خط رفيع سمكه لا يتجاوز الميكرون الواحد؟ طبعا إذا كان المقصود هو كيف تم تجميعها؟ فببساطة تم استخدام مرايا خاصة تجمعها مثل ما يتم تجميع اشعة الشمس تماما عن طريق المرايا أو العدسات. وأما إذا كان المقصود هو ما هو المبدأ الفيزيائي الذي سمح لها بالتراص بهذا الشكل؟ فالسبب يعود لكونها بوزونات، والبوزونات مسموح لأي عدد منها أن تتجمع في نفس المستوى الكمي للطاقة، ولا تخضع لقاعدة باولي للاستبعاد. لا يمكن عمل نفس الشيء مع الإلكترونات مثلا لأنها فرميونات وتخضع لنظام فرمري-ديراك الإحصائي وتخضع لمبدأ باولي للاستبعاد، فلا يمكن جمع أعداد كبيرة منها في نفس مستوى الطاقة.
ملاحظة أخرى: ما ذا يعني لنا Breit–Wheeler pair production (تصادم فوتونين ينتج عنه إلكترون وبوزيترون )؟ إنه ببساطة تحويل للطاقة المجردة (فوتونات) إلى مادة بصورة زوج إلكترون + بوزيترون (إلكترون بشحنة موجبة) إذن طاقة بحتة أعطت أجساما لها كتل يمكن قياسها!. إذن عندما استخدم أينشتاين علاقته الشهيرة E=mc² والتي تربط بين المادة والطاقة فهي لم تكن علاقة نظرية مجردة، بل وافقتها التجارب العلمية كما في هذه التجربة وسابقاتها.
ملاحظة أخيرة: بسبب الكثافة الهائلة للفوتونات في أشعة الليزر المذكورة، فقد تم استخدام الفوتونات لأغراض أبعد ما تتوقع؟ يمكن استخدامها لتسريع البروتونات بسبب التصادم المتكرر فهي تمثل ضغط الهواء المكثف على الحيطان أو على الأجسام فيدفعها للحركة والتسارع.
المرجع الأساسي هو الورقة العلمية التالية:
Комментарии