Rotational excitation of molecules in the regime of strong ro-vibrational coupling: Comparison between an optical centrifuge and a transform-limited pulse

الجزيئات ليست أجساماً ساكنة أو صلبة؛ بل هي في حركة مستمرة، تدور وتتذبذب مثل قطع "البلبل" (الدوّامة) الصغيرة والفوضوية. وفي عالم فيزياء الكم، سعى العلماء طويلاً لإيجاد طرق للتحكم في هذه الحركة، وخاصة دوران الجزيئات. وتتضمن إحدى الطرق القوية استخدام نبضات الليزر للإمساك بالجزيء وتدويره بسرعات هائلة، مما يخلق ما يسميه الباحثون "الدوارات الفائقة" (super-rotors). وهذه الدوارات هي جزيئات تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تتمدد وتتشوه، مما يتحدى النماذج البسيطة التي يستخدمها العلماء عادةً لوصفها. لعقود من الزمن، نجحت هذه التقنية بشكل أفضل مع الجزيئات الخفيفة ذات الروابط القوية جداً، حيث يمكن دراسة حركة الدوران دون أن تعيق الاهتزازات الداخلية للجزيء. ومع ذلك، عند التعامل مع جزيئات أثقل أو تلك ذات الروابط الأكثر ليونة، يصبح الدوران والاهتزاز مرتبطين بعمق. فكلما دار الجزيء بشكل أسرع، زاد اهتزازه بشدة، ويمكن لهذا الارتباط أن يؤدي إلى تفكك الجزيء. والسؤال الذي يواجه الباحثين هو ما إذا كانت هناك طريقة لتدوير هذه الجزيئات الأثقل إلى سرعات قصوى دون كسرها عن طريق الخطأ نتيجة إثارة اهتزازاتها.

وللإجابة على ذلك، أجرى فريق من الفيزيائيين دراسة نظرية مفصلة باستخدام جزيء ثقيل يسمى "ثنائي الروبيديوم"، والذي يتكون من ذرتي روبيديوم. وقد قاموا بمحاكاة سلوك هذا الجزيء عند تعرضه لنوعين مختلفين من نبضات الليزر، وكلاهما مصمم لحمل نفس كمية الطاقة تماماً. النبضة الأولى كانت عبارة عن دفعة قصيرة ومعيارية من الضوء، بينما كانت النبضة الثانية عبلاً متخصصاً يُعرف بـ "الطرد المركزي البصري" (optical centrifuge). وتتميز نبضة الطرد المركزي هذه بأن استقطابها — وهو الاتجاه الذي يشير إليه المجال الكهربائي للضوء — يدور بشكل أسرع فأسرع بمرور الوقت، مما يمسك الجزيء فعلياً ويسرع دورانه. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان هذا الدوران التدريجي المتسارع يمكنه التحكم في دوران الجزيء بشكل أفضل من النبضة المعيارية، وتحديداً من خلال الحفاظ على هدوء اهتزازات الجزيء ومنع تفككه.

وكشفت عمليات المحاكاة عن فرق واضح بين الطريقتين. فعندما ضربت النبضة الليزرية المعيارية القصيرة والجيزة الجزيء، قامت بنقل الطاقة بسرعة كبيرة. وقد تسبب هذا الانتقال السريع للطاقة في تسريع دوران الجزيء، لكنه أيضاً هز البنية الداخلية للجزيء، مما تسبب في انتشار كبير في حالات الاهتزاز. انتهى الأمر بالجزيء في حالة من الفوضى بين الدوران عالي السرعة والاهتزاز الشديد وغير المنضبط، مما زاد من خطر تفككه. في المق مقابل، عملت نبضة الطرد المركزي البصري كيدٍ لطيفة ومتسارعة؛ ولأنها نقلت الطاقة تدريجياً على فترة زمنية أطول، فقد تمكنت من تدوير الجزيء إلى سرعات عالية جداً مع الحفاظ على حركة الاهتزاز هادئة بشكل مدهش. لقد وصل الجزيء إلى حالات دورانية عالية، لكن اهتزازاته الداخلية ظلت متجمعة بإحكام بالقرب من مستواها الأصلي، مما أظهر أن الطرد المركزي يمكنه فصل حركة الدوران عن حركة الاهتزاز بفعالية.

هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يشير إلى أن الطرد المركزي البصري يوفر وسيلة لإنشاء "دوارات فائقة" في الجزيئات الأثقل دون تحفيز الاهتزازات المدمرة التي تؤدي عادةً إلى التفكك. أظهرت الدراسة أنه بينما خلقت النبضة المعيارية توزيعاً واسعاً وفوضوياً للطاقة عبر كل من أنماط الدوران والاهتزاز، حافظ الطرد المركزي على طاقة الاهتزاز منخفضة ومسيطر عليها. وحتى عندما زاد الباحثون من شدة نبضة الطرد المركزي لتدوير الجزيئات بشكل أسرع، ظل الانتشار الاهتزازي أضيق بكثير مما كان عليه مع النبضة المعيارية. وتشير النتائج إلى أن الطرد المركزي أداة متفوقة لهذه المهمة المحددة، حيث يمكنه تسلق "سلم" الحالات الدورانية بكفاءة مع ترك سلم الاهتزاز دون مساس إلى حد كبير.

كما انطبقت هذه النتائج أيضاً على الجزيئات التي كانت بالفعل في حالات اهتزاز مثارة قبل اصطدام الليزر بها. في هذه الحالات، تسببت النبضة المعيارية مرة أخرى في مزيج واسع وغير منضبط من الحالات، بينما حافظ الطرد المركزي على توزيع أكثر إحكاماً وتحكماً. ووجد الباحثون أن الطرد المركزي كان فعالاً بشكل خاص في إنشاء دوارات عالية السرعة من هذه النقاط المبدئية، في حين فشلت النبضة المعيارية غالباً في الوصول إلى نفس السرعات العالية لأن الطاقة كانت تتشتت في اهتزازات غير مرغوب فيها. إن هذه القدرة على التحكم في الحالة الاهتزازية مع دفع الدوران تشير إلى أن الطرد المركزي البصري يمكن استخدامه لدراسة الديناميكيات الجزيئية في النطاقات التي ينهار فيها الافتراض البسيط للجزيء كجسم صلب وثابت لا يتغير.

في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أن الطريقة التي يتم بها إيصال الطاقة إلى الجزيء تهم بقدر ما تهم كمية الطاقة الإجمالية. فمن خلال استخدام نبضة تسرع الدوران تدريجياً، يمكن للعلماء تحقيق مستوى من السيطرة لا تستطيع الدفعة المفاجئة والمكثفة تحقيقه. يثبت الطرد المركزي البصري أنه أداة دقيقة لتدوير الجزيئات إلى حدود قصوى مع حماية سلامتها الهيكلية، مما يفتح الباب أمام تجارب جديدة مع الجزيئات الثقيلة التي كان من الصعب التلاعب بها سابقاً دون التسبب في تفككها. وتؤكد الدراسة أنه مع شكل النبضة المناسب، من الممكن إتقان الرقصة المعقدة للدوران والاهتزاز، والحفاظ على سلامة الجزيء حتى وهو يدور بالسرعات التي قد تمزقه لولا ذلك.