از عمر دنیا چند ثانیه می گذرد؟ - فروشگاه های میهن

غزال زیاری: یک گروه متشکل از سه محقق جایزه نوبل فیزیک سال 2023 را به خاطر کوشش هایی که منجر به تحول عظیمی در خصوص نحوه مطالعه دانشمندان بر روی الکترون ها شد، دریافت کردند. آنها با روشن کردن مولکول ها با فلاش های نور در زمان آتوثانیه این کار را انجام دادند. اما آتوثانیه چقدر طول می کشد و این پالس های بی نهایت کوتاه، چه چیزی را در خصوص ماهیت ماده به محققان می گوید؟

من اولین بار به عنوان یک دانشجوی کارشناسی ارشد در رشته شیمی فیزیک با این حوزه تحقیقاتی آشنا شدم. گروه مشاور دکترای من در پروژه ای به مطالعه برروی واکنش های شیمیایی با پالس های آتوثانیه می پرداخت. قبل از درک این موضوع که چرا تحقیقات آتوثانیه به معتبرترین جایزه فیزیک منجر شد ، باید به درک این موضوع بپردازیم که پالس نور آتوثانیه چیست؟

یک آتوثانیه چقدر طول می کشد؟

آتو یک پیشوند نماد علمی است که نشان دهنده 10 به توان 18- است. یعنی یک عدد اعشاری با هفده صفر و سپس عدد یک. یک فلش نور که یک آتوثانیه (0.000000000000000001) طول می کشد، یک پالس بسیار کوتاه از نور است. در حقیقت تقریبا تعداد آتوثانیه های موجود در یک ثانیه، به مقدار تعداد ثانیه هایی است که از عمر دنیا هستی می گذرد.

پیش از این دانشمندان می توانستند حرکت هسته های اتمی سنگین تر و آهسته تر را با پالس های نوری فمتوثانیه (10 به توان 15- پالس نوری) مطالعه نمایند. هزار آتوثانیه معادل یک فمتوثانیه است. اما محققان تا قبل از زمانی که پالس های نوری آتوثانیه ای را فراوری کردند، نمی توانستند حرکات در مقیاس الکترونی را ببینند. (سرعت حرکت الکترون ها تا حدی بالاست که دانشمندان نمی توانند دقیقا آنچه که در سطح فمتوثانیه انجام می دهند را تجریه نمایند)

پالس های آتوثانیه چه می نماید؟

بازآرایی و چینش مجدد الکترون ها در اتم ها و مولکول ها فرآیندهای زیادی را در علم فیزیک راهنمایی می نماید و عملا زیربنای تک تک بخش های علم شیمی است؛ در نتیجه دانشمندان کوشش زیادی را به کار گرفتند تا چگونگی حرکت و بازآرایی مجدد الکترون ها را دریابند.

• هوش مصنوعی متن 5 هزار ساله را رمزگشایی کرد

• راز یک شی عجیب 13هزار ساله در مدار زمین/ عکس

الکترون ها در فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی با سرعت بالایی به اطراف حرکت می نمایند و همین کار مطالعه درباره آنها را سخت نموده است. برای آنالیز این فرآیندها، دانشمندان از طیف سنجی استفاده می نمایند که روشی برای آنالیز چگونگی جذب یا انتشار نور ماده است. آنها برای تعقیب الکترون ها در زمان واقعی، به یک پالس نور احتیاج داشتند که کوتاه تر از زمان لازم برای بازآرایی مجدد الکترون ها باشد.

به عنوان یک قیاس، دوربینی را تصور کنید که فقط می تواند نوردهی طولانی، در حدود 1 ثانیه داشته باشد. اشیای درحال حرکت، مثل انسانی که به سمت دوربین می دود یا یک پرنده در حال پرواز در آسمان، ممکن است در عکس ها تار به نظر برسند و این کار را برای تشخیص اینکه چه در حال رخ دادن است سخت خواهد نمود.

حالا تصور کنید که از دوربینی با نوردهی 1 میلی ثانیه استفاده می کنید. حالا حرکاتی که در مثال قبل درموردشان صحبت کردیم، به خوبی در عکس ها، به شکلی دقیق و واضح ظاهر می شوند. مقیاس آتوثانیه هم در مقایسه با مقیاس فمتوثانیه به همین ترتیب عمل نموده و به خوبی می تواند رفتار الکترون ها را به نمایش بگذارد.

تحقیقات درباره آتوثانیه

پالس های آتوثانیه در پاسخ به چه نوع سوالاتی به ما یاری خواهند کرد؟

مثلا شکستن یک پیوند شیمیایی، فرآیندی اساسی در طبیعت به شمار می رود که در جریان آن الکترون هایی که بین دو اتم مشترک هستند، به صورت اتم های غیرپیوندی جدا می شوند. الکترون هایی که قبلا به اشتراک گذاشته شده بودند، در طول این فرآیند دستخوش تغییرات فوق سریعی شده و پالس های آتوثانیه این امکان را برای محققان فراهم خواهد نمود که شکستن یک پیوند شیمیایی را در زمان واقعی دنبال نمایند.

توانایی ایجاد پالس های آتوثانیه (دقیقا همین پژوهشی که سه دانشمند برای آن جایزه نوبل فیزیک سال 2023 را مال خود کردند) برای اولین بار در اوایل دهه 2000 محقق شد و از آن موقع به بعد، پیشرفت های چشمگیری در این زمینه حاصل شده. طیف سنجی آتوثانیه ای با ارائه عکس هایی در بازه های زمانی کوتاه تر از اتم ها و مولکول ها، به محققان در مسیر درک رفتار الکترون ها در مولکول های منفرد (از جمله نحوه مهاجرت بار الکترون و بعلاوه شکستن پیوندهای شیمیایی بین اتم ها) یاری زیادی نموده است.

در مقیاس بزرگ تر، فناوری آتوثانیه در راستای مطالعه نحوه رفتار الکترون ها در آب و انتقال الکترون ها در مواد نیمه هادی جامد مورد استفاده قرار گرفته است. در حالی که محققان در حال بهبود توانایی هایشان در فراوری پالس های نوری آتوثانیه هستند، درک عمیق تری نیز از ذرات اساسی تشکیل دهنده ماده به دست خواهند آورد.

منبع: livescience

5858