Ferroelastic domain switching by ultrafast photoinduced strain

بُني العالم الصلب من حولنا على بنية تحتية خفية: الشبكة البلورية. تخيل ذرات مرتبة في شبكة مثالية متكررة، مثل جنود يقفون بانتظام. إن الطريقة التي يقف بها هؤلاء الجنود والمساحات بين بينهم هي التي تحدد ما إذا كانت المادة مغناطيسية، أو موصلة للكهرباء، أو قادرة على تذكر المعلومات. أحياناً، يمكن دفع هذه الشبكة أو سحبها، مما يتسبب في تغيير شكل المادة بأكملها أو نظامها الداخلي. هذه القدرة على التبديل بين حالات مختلفة هي أساس التكنولوجيا الحديثة، من رقائق الذاكرة في هواتفنا إلى المستشعرات في سياراتنا. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه إذا استطعت التحكم في شكل هذه الشبكة الذرية، يمكنك التحكم في خصائص المادة. ومع ذلك، كان القيام بذلك بسرعة ودقة تحدياً كبيراً، حيث تطلب الأمر غالباً آلات ضخمة أو طرقاً تعتمد على التسخين تفتقر إلى الدقة اللازمة للأجهزة من الجيل التالي.

لقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة رادبوديد في هولندا الآن طريقة لقلب هذه الحالات الداخلية باستخدام ومضة ضوء فقط. لقد ركزوا على نوع معين من المواد يسمى البلورة المرنة-المرنة (ferroelastic crystal)، وهي فريدة لأن "مفتاحها" هو حرفياً تغير في الشكل، أو الإجهاد. وخلافاً للمواد الأخرى حيث قد تقوم الضوء بتسخينها أو تغيير خصائصها المغناطيسية بشكل غير مباشر، فإن تغيير الشكل في هذه البلورات هو الحدث الأساسي. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت نبضة واحدة فائقة السرعة من الضوء تحت الأحمر يمكن أن تشوه الشبكة البلورية بما يكفي لإجبارها على الانتقال من شكل مستقر إلى آخر. وكانت إجابتهم نعم قاطعة، مما كشف عن مسار مباشر حيث يخلق الضوء ضغطاً مؤقتاً يعيد تنظيم البنية الداخلية للمادة في غضون نانو ثوانٍ معدودة.

أُجريت التجربة في مختبر في نيميخن، باستخدام آلة متخصصة تسمى ليزر الإلكترون الحر لتوليد نبضات من الضوء تحت الأحمر. وكان موضوع التجربة بلورة صغيرة شفافة من ألومينات اللانثانوم، وهي مادة تُستخدم غالباً كقاعدة لأفلام تقنية عالية أخرى. قبل التجربة، كانت البلورة موجودة في حالة واحدة موحدة، حيث كانت شبكتها الذرية الداخلية مصطفة في اتجاه محدد. أطلق الباحثون نبضة واحدة عالية الطاقة من الضوء تحت الأحمر على البلورة، مع تركيزها في بقعة تبلغ عرض شعرة بشرية تقريباً. كانت هذه النبضة قصيرة للغاية، إذ استغرقت بضع تريليونات من الثانية فقط، لكنها حملت طاقة كافية لجعل الذرات داخل الشبكة البلورية تهتز.

ما حدث بعد ذلك كان سباقاً ضد الزمن، رصده ليزر ثانٍ يعمل ككاميرا عالية السرعة. في غض خلال الجزء من المليار من الثانية الأول بعد اصطدام نبضة الأشعة تحت الحمراء، بدأت البلورة في التشوه. تحولت طاقة الضوء إلى حرارة وحركة، مما خلق موجة من الإجهاد انتشرت عبر المادة. لم يكن هذا الإجهاد موحداً؛ فقد خلق نمطاً محدداً من التمدد والضغط بدا وكأنه برسيم رباعي الأوراق عند النظر إليه من الأعلى. كانت البلورة تُسحب مادياً في بعض الاتجاهات وتُدفع في اتجاهات أخرى، مما غير الزوايا بين ذراتها. حدث هذا التشوه بشكل فوري تقريباً، قبل أن تجد المادة وقتاً للتبرد أو الاستقرار.

بعد بضعة مليارات من الثانية من هذا الضغط الأولي، بدأت البنية الداخلية للبلورة في التغير. لاحظ الباحثون أن الحالة الموحدة للبلورة تفككت، وحلت محلها أنماط جديدة من المناطق، أو النطاقات، حيث لكل منها اتجاه مختلف. ظهرت هذه النطاقات الجديدة تماماً حيث كان الإجهاد في أقوى حالاته، متبعةً نمط البرسيم رباعي الأوراق الذي خلقه الضوء. لقد غيرت البلورة شكلها فعلياً لتستوعب الإجهاد، واستقرت في تكوين جديد أكثر استقراراً في ظل الظروف المؤقتة التي أحدثها الليزر. لم يكن هذا التبديل عملية بطيئة وتدريجية؛ بل حدث بسرعة، وبلغ ذروته في حوالي أربعة عشر مليار جزء من الثانية بعد النبضة الأولية، ثم تلاشى ببطء بينما عادت البلورة إلى حالتها الأصلية خلال الميكروثانية التالية.

حلل الفريق التوقيت وشكل هذه التغييرات بعناية لفهم ما كان يدفع عملية التبديل بالضبط. وجدوا أن النطاقات الجديدة ظهرت فقط بعد وصول الإجهاد إلى مستوى معين، مما أكد أن التشوه الفيزيائي للشبكة كان السبب المباشر للتبديل. كما استبعدوا احتمالات أخرى، مثل مجرد تسخين الضوء للمادة إلى نقطة تغير فيها طورها، أو تفاعل الضوء مع الإلكترونات بطريقة تتجاوز الشبكة. بدلاً من ذلك، أشارت الأدلة إلى سبب ميكانيكي: خلق الضوء مجال إجهاد، واستجابت البلورة بإعادة ترتيب ذراتها لتخفيف ذلك الإجهاد. استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لنمذجة كيفية انتشار الحرارة الناتجة عن الليزر عبر البلورة، وطابقت هذه النماذج الملاحظات التجريبية، مما أظهر أن التمدد الحراري الناتج عن الضوء كان كافياً لتوليد الإجهاد اللازم.

هذا الاكتشاف مهم لأنه يثبت أن الضوء يمكن استخدامه للتحكم في الحالة الميكانيكية للمادة بسرعة ودقة متناهين. في الماضي، كان التلاعب بهذه الحالات المرنة-المرنة يتطلب ضغطاً فيزيائياً أو تغيرات حرارية بطيئة، مما حد من سرعة وصغر حجم عمليات التبديل. باستخدام نبضة ليزر، أظهر الباحثون أن التبديل يمكن أن يحدث في بضعة مليارات من الثانية، وهو مقيس زمني يفتح الباب لتقنيات تخزين ومعالجة بيانات أسرع بكثير. كما أن الدقة المكانية لهذه الطريقة جديرة بالذكر؛ حيث تشكلت النطاقات الجديدة تماماً حيث ضربها الضوء، مما يشير إلى إمكانية هندسة أجهزة مستقبلية ببساطة عن طريق "رسم" أنماط من الضوء على البلورة لإنشاء أشكال وهياكل محددة.

كما تسلط الدراسة الضوء على الارتباط الوثيق بين شكل المادة وخصائصها الأخرى. ولأن النظام الداخلي للبلورة مرتبط بشكلها، فإن تغيير شكلها بالضوء يمكن أن يُستخدم في النهاية لتبديل الخصائص المغناطيسية أو الكهربائية في مواد أخرى توضع فوق هذه البلورة. وأشار الباحثون إلى أن هذه الآلية قد تعمل مع أنواع أخرى من البلورات أيضاً، بشرط ضبط الضوء لخلق النوع الصحيح من الإجهاد. وبينما كانت التجربة الحالية بمثابة إثبات للمفهوم باستخدام نبضة واحدة، فإن النتائج تشير إلى مسار عام للتحكم في المادة باستخدام الضوء، والانتقال من مجرد التسخين البسيط إلى التلاعب الميكانيكي المباشر.

تتجاوز آثار هذا العمل مجرد فهم كيفية سلوك البلورات. فهي تقدم أداة جديدة للمهندسين والعلماء الذين يحاولون بناء أجهزة أسرع وأصغر وأكثر كفاءة. إذا كان بالإمكان تبديل شكل المادة بومضة ضوء، فإن المعلومات المخزنة في ذلك الشكل يمكن كتابتها ومسحها بسرعات لا تستطيع الإلكترونيات الحالية مضاهاتها. لم يدّعِ الباحثون بناء جهاز عامل بعد، لكنهم أثبتوا الفيزياء الأساسية اللازمة لجعل ذلك ممكناً. لقد أظهروا أن الشبكة، وهي الهيكل العظمي للعالم الصلب، يمكن جعلها ترقص على إيقاع الليزر، ليس من خلال السحر أو الغموض، بل من خلال القوة الفيزيائية المباشرة للإجهاد الناجم عن الضوء.

في النهاية، كانت التجربة عرضاً واضحاً للسبب والنتيجة. ضربت نبضة من الضوء البلورة، فتشوهت البلورة، وأدى هذا التشوه إلى إجبار البلورة على تغيير حالتها الداخلية. كان التوقيت دقيقاً، والنمط متوقعاً، والآلية مباشرة. ومن خلال مراقبة تغير البلورة في الوقت الفعلي، جسد الباحثون الفجوة بين الفكرة المجردة للتحكم في المادة بالضوء والواقع الملموس لتحرك الذرات إلى مواقع جديدة. يشير هذا العمل إلى أن مستقبل التحكم في المواد قد لا يكمن في الدوائر الإلكترونية المعقدة أو الآلات الثقيلة، بل في التطبيق البسيط والأنيق لحزمة مركزة من الضوء، التي تشكل النسيج ذاته للعالم الصلب.