الملخص:
أعلن فريق أبحاث XFEL الأوروبي (XFEL الأوروبي) أنهم نجحوا في توليد وميض أشعة سينية قوي قصير للغاية يدوم حوالي 300 أتو ثانية فقط، وسجلوا رقما قياسيا عالميا لمثل هذه النبضات من حيث الكثافة وكثافة الطاقة. ومن المتوقع أن تساعد هذه النتيجة العلماء على مراقبة السلوك الديناميكي للإلكترونات داخل الذرات والجزيئات بدقة غير مسبوقة. وقد تم نشر نتائج الأبحاث ذات الصلة في مجلة "Optica".
لطالما كان العلماء يأملون في فهم حركة الإلكترونات في الذرات والجزيئات، وذلك للحصول على فهم أعمق للتفاعلات الكيميائية وحتى تحقيق التحكم الفعال في سلوك الإلكترون في المستقبل. تعد الأشعة السينية أداة مهمة لدراسة حركة الإلكترونات، لكن الإشعاع عالي الطاقة نفسه يمكنه أيضًا تغيير العينة التي يتم اختبارها، لذلك يجب على الباحثين الحصول على معلومات كافية قبل حدوث تغييرات ملحوظة في العينة.
في هذه التجربة، قام فريق البحث بتركيز نبضات الأشعة السينية على منطقة صغيرة للغاية، وهي حوالي جزء من مائة ألف من المقطع العرضي لشعرة الإنسان العادية. وتستمر كل نبضة حوالي 300 أتو ثانية، وهو ما يعادل واحدًا على مليار من مليار من الثانية فقط. تم الانتهاء من التجربة في أبريل 2026 في المحطة التجريبية MID التابعة لمنشأة XFEL الأوروبية، باستخدام الأشعة السينية الصلبة ذات الأطوال الموجية القصيرة للغاية.
قال يان جياوي، العالم في مركز السنكروترون الإلكتروني الألماني (DESY) والذي شارك في البحث، إن الفريق قد أظهر نبضات أشعة سينية صلبة بمستوى تيراواط قبل بضع سنوات، لكن توليد نبضات قوية ليس سوى الخطوة الأولى. ما يهم حقًا هو أن تكون قادرًا على إيصال هذه الطاقة بشكل فعال إلى العينة التجريبية. بفضل هذا الإنجاز، تمكن العلماء من استخدام الأشعة السينية على مستوى الأتو ثانية لدراسة التفاعل غير الخطي للغاية بين الأشعة السينية والمادة.
من أجل تحقيق التركيز الشديد، استخدم الباحثون نظام كيركباتريك بايز البصري المتقدم (AKB) من اليابان. تخضع كل نبضة من الأشعة السينية لأربعة انعكاسات، مع مرآتين فائقتي الدقة مسؤولتين عن التركيز الرأسي والأفقي على التوالي. في النهاية، يتم ضغط الأشعة السينية في منطقة بؤرية صغيرة تبلغ 180 × 330 نانومتر فقط.
استنادًا إلى حسابات طاقة النبضة والمدة وحجم التركيز، قدر فريق البحث أن ذروة شدتها تجاوزت 10²⁰وات لكل سنتيمتر مربع. وقال إيشيرو إينوي، الباحث في جامعة طوكيو، إن هذه النتيجة حطمت الرقم القياسي العالمي لنبضات الأشعة السينية الصلبة في الأتوثانية من حيث الكثافة وتدفق الطاقة. من بينها، يتم استخدام تدفق الطاقة لقياس الطاقة الواردة لكل وحدة مساحة، في حين تعكس الكثافة أيضًا مدى سرعة إطلاق هذه الطاقة.
للتحقق من هذا الحساب، قام الباحثون بتشعيع هذه النبضات فائقة الشدة على عينات من رقائق النحاس. تقوم الأشعة السينية بإخراج الإلكترونات من الغلاف الداخلي العميق لذرات النحاس، مما يشكل فراغات إلكترونية. عندما تملأ إلكترونات أخرى هذه الشواغر، يتم إطلاق إشعاعات سينية جديدة. عند شدة عالية بما فيه الكفاية، يمكن لهذه الإشعاعات أن تحفز ذرات النحاس الأخرى المثارة لإصدار المزيد من الأشعة السينية في نفس الاتجاه، مما يخلق ظاهرة تعرف باسم الانبعاث التلقائي المضخم (ASE)، مما يؤدي إلى تضخيم الإشارة.
وقال أندرس مادسن، رئيس محطة التجارب MID، إن ملاحظة هذه الظاهرة تبدو سحرية تقريبًا. ينبعث مضان عادي في جميع الاتجاهات، بغض النظر عن اتجاه الشعاع الساقط؛ عندما يتم تجاوز عتبة ASE، يمكن للباحثين أن يروا بوضوح أن الشعاع يتقلص تدريجياً ويركز في الاتجاه الأمامي.
تظهر النتائج التجريبية أنه مع زيادة طاقة النبض، تزيد إشارة ASE في البداية بسرعة ثم تميل إلى التشبع عند الطاقات الأعلى. وأشار الباحثون إلى أن ظاهرة التشبع هذه تحدث فقط عند شدة عالية جدًا للأشعة السينية، مما يوفر تحققًا مستقلاً من الشدة العالية جدًا المحسوبة مسبقًا.
تخطط شركة XFEL الأوروبية لاستقبال وتثبيت نظام التركيز AKB الخاص بها في أوائل عام 2027. وقال الباحثون إنه بعد تثبيت النظام وتصحيح أخطائه، ستتمكن فرق البحث العلمي من جميع أنحاء العالم من استخدام محطة MID التجريبية للحصول على نفس وميض الأشعة السينية القصير والقوي، مما يفتح إمكانيات جديدة للفيزياء فائقة السرعة وعلوم المواد وحركية التفاعل الكيميائي والبحث العلمي غير الخطي للأشعة السينية.
التعليقات