Collectively pumped superradiant laser with coherence scaling beyond the standard quantum limit

غالباً ما يُنظر إلى الضوء على أنه تيار من الجسيمات، ولكن عندما يتم تنظيمه في شكل شعاع ليزر، فإنه يتصرف مثل جيش متناغم. الصفة الأكثر قيمة لهذا الجيش هي "الترابط" (coherence)، وهو مقياس لمدى استمرار موجات الضوء في السير بخطوات منتظمة ومتطابقة مع بعضها البعض. لعقود من الزمن، اعتقد الفيزيائيون أن هناك سقفاً صلباً لمدى قدرة الليزر على الحفاظ على هذا المسير المتناغم المثالي، وهو حد يُعرف باسم "الحد الكمي القياسي". كان يُعتقد أن هذا الحاجز جوهري، تفرضه الطبيعة ذاتها لكيفية تفاعل الضوء والمادة. فإذا خزن الليزر طاقة أكبر لجعل الشعاع أكثر سطوعاً، فإن الضجيج المتأصل في العالم الكمي سيؤدي في النهاية إلى بعثرة توقيت الموجات، مما يمنع الشعاع من البقاء في خطوة واحدة لفترة أطول من نقطة معينة. وقد ظل هذا الحد صحيحاً لكل ليزر تم بناؤه حتى الآن، من مؤشرات الليزر المستخدمة في الفصول الدراسية إلى الساعات فائقة الدقة المستخدمة في الملاحة.

ومع ذلك، تشير دراسة جديدة إلى أن هذا السقف ليس قانوناً من قوان الطّبائع، بل هو قيد تفرضه التكنولوجيا الحالية. فقد اقترح باحثون في جامعة غريفيث في أستراليا تصميماً نظرياً لليزر يمكنه كسر هذا الحاجز، لإنتاج شعاع يبقى في خطوة مثالية لفترة أطول بكثير مما كان يُعتقد سابقاً. لا يعتمد عملهم على السحر أو جسيمات جديدة، بل على إعادة ترتيب ذكية لكيفية إثارة الذرات وكيفية إطلاقها لطاقتها. ومن خلال تغيير قواعد اللعبة من الداخل إلى الخارج، أظهروا أنه يمكن هندسة الليزر ليكون أكثر ترابطاً بشكل كبير عما سمحت به الحدود القديمة، مما يفتح الباب أمام جيل جديد من الأدوات فائقة الدقة.

تبدأ القصة بالطريقة القياسية لعمل أجهزة الليزر. داخل الليزر التقليدي، يتم ضخ الطاقة في الذرات حتى تُثار، ثم تطلق تلك الطاقة على شكل فوتونات، أو جسيمات ضوئية، داخل تجويف. ترتد هذه الفوتونات ذهاباً وإياباً، مما يحفز الذرات المثارة الأخرى على إطلاق المزيد من الفوتونات في تناغم تام. المشكلة هي أن هذه العملية صاخبة بطبيعتها؛ فالذرات لا تطلق طاقتها جميعها في نفس الوقت تماماً، وهذا العشوائية تسبب نوعاً من الاضطراب، أو "ضجيج الطور" (phase noise)، الذي يشتت ترابط الشعاع. لأكثر من نصف قرن، قبل العلماء أن هذا الاضطراب لا مفر منه. وقد حسبوا أن أفضل ترابط يمكن أن يحققه الليزر يتناسب مع مربع عدد حزم الطاقة المخزنة بداخله. كان هذا هو الحد الكمي القياسي، وهي قاعدة بدت وكأنها تحكم جميع تقنيات الليزر.

سأل الباحثون في هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً ولكنه جذري: ماذا لو أمكن جعل طريقة ضخ الذرات مميزة بقدر تميز طريقة إطلاقها للضوء؟ في الليزر القياسي، يتم ضخ الذرات بشكل فردي وعشوائي. أما في نموذجهم الجديد، فقد اقترح البثاثون نظاماً يتم فيه ضخ الذرات بشكل جماعي، مما يعني أنها تُثار جميعها معاً بطريقة متزامنة، تماماً كما تفعل عند إطلاق الضوء. وتستند هذه الفكرة إلى ظاهرة تسمى "الضوء فوق التوهج" (superradiance)، حيث يمكن لمجموعة من الذرات، إذا تم إعدادها بشكل صحيح، أن تعمل كـ "هوائي" عملاق واحد، يبعث ضوءاً تزداد شدته مع مربع عدد الذرات. وبينما تمت دراسة "الضوء فوق التوهج" لعقود، إلا أنه يظهر عادةً كدفقات ضوئية انفجارية قصيرة تنتهي بسرعة. وكان التحدي يكمن في الحفاظ على هذا السلوك الجماعي مستمراً دون أن يتلاشى الدفق.

ولحل هذه المعضلة، صمم الفريق نظاماً يستخدم حلقة تغذية راجعة للتحكم في عملية الضخ. تخيل مجموعة من الذرات محبوسة داخل تجويف، مع إضافة مستوى طاقة ثالث مساعد إلى المزيج. اقترح الباحثون استخدام ليزر منفصل لدفع الذرات من حالتها الأرضية إلى هذا المستوى الثالث. والأهم من ذلك، أن مخرج التجويف يتم مراقبته بواسطة كاشف يحصي كل فوتون يهرب منه. وعند اكتشاف فوتون، يتوقف ليزر الدفع فوراً عن العمل للحظة وجيزة. تضمن آلية التغذية الراجعة هذه أن الذرات لا تُثار إلا عندما يكون النظام مستعداً لاستقبال الطاقة، مما يضيف حزم الطاقة واحدة تلو الأخرى بإيقاع محكوم تماماً. هذه العملية تستبدل الضخ العشوائي والصاخب لليزر القياسي بمعدل كسب "مسطح"، حيث لا تعتمد احتمالية إضافة إثارة على عدد الإثارات الموجودة بالفعل.

والنتيجة هي أن هذا الضخ الجماعي والتحكم بالتغذية الراجعة ينتجان ليزراً يعمل في حالة خاصة تسمى "الحالة شبه المستقرة" (metastable state). في هذه الحالة، تظل الذرات متزامنة لفترة طويلة للغاية، أطول بكثير من الوقت الذي يستغرقه قياس شعاع الليزر. ووجد الباحثون أنه في هذا النطاق، لا يتحسن ترابط الليزر قليلاً فحسب، بل يتوسع وفق قوة أعلى بكثير من الحد القياسي. وتحديداً، أظهروا أن الترابط يمكن أن ينمو مع رفع عدد حزم الطاقة المخزنة داخله إلى القوة 8/3 (ثمان ثلث). ويمثل هذا قفزة نوعية، إذ يعد تحسناً تربيعياً مقارنة بأفضل أداء ممكن لليزر القياسي. وهذا يعني أنه كلما أضفت المزيد من الذرات والطاقة إلى النظام، بقي الشعاع في خطوة واحدة لفترة أطح مما كان يُعتقد.

كما تتناول الورقة البحثية الجوانب العملية لبناء مثل هذا الجهاز. فقد قدم الباحثون مخططاً تفصيلياً لكيفية تحقيق ذلك باستخدام الذرات المحتجزة والتجاويف البصرية، وهي تركيبات تُستخدم بالفعل في مختبرات الفيزياء الحديثة. وقاموا بحساب المعايير المحددة المطلوبة، مثل عدد الذرات ومعدلات انتقال الطاقة، لضمان عمل النظام كما هو متوقع. وتؤكد عمليات المحاكاة التي أجروها أنه مع وجود عدد كافٍ من الذرات، سيظل النظام في هذه الحالة عالية الترابط لفترة كافية لتكون مفيدة. كما أظهروا أن الضوء الخارج من هذا الليزر سيكون له خصائص إحصائية مثالية، مما يعني أن الفوتونات تصل بمعدل ثابت تماماً، وهو ما يعد علامة فارقة لشعاع ليزر عالي الجودة.

يتحدى هذا العمل افتراضاً دام طويلاً في الفيزياء، حيث يوضح أن الحد الكمي القياسي ليس جداراً أساسياً، بل هو حاجز يمكن تجاوزه بالتصميم الصحيح. ورغم أن هذا الاقتراح لا يزال نظرياً، إلا أنه يشير إلى مستقبل يمكن فيه صنع أجهزة ليزر بدقة غير مسبوقة. ويمكن لهذه الليزرات أن تحدث ثورة في المجالات التي تعتمد على التوقيت الدقيق للضوء، مثل الساعات الذرية، وكواشف موجات الجاذبية، والحوسبة الكمومية. ومن خلال إثبات أن الليزر يمكن هندسته ليتجاوز حدود أسلافه، فتح الباحثون فصلاً جديداً في السعي نحو "الضوء المثالي"، مما يشير إلى أن الحدود القصوى لترابط الليزر أعلى بكثير مما تخيلناه يوماً.