Attosecond correlation interferometry

الضوء أكثر من مجرد شعاع ينير غرفة؛ إنه تدفق من الجسيمات تسمى الفوتونات التي يمكن ربطها معًا بطرق تتحدى حدسنا اليومي. عندما يتم توليد هذه الفوتونات معًا، فإنها تتشارك اتصالاً سرياً، مما يعني أن التغيير في أحدها يؤثر فوراً على الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما. لطالما استخدم العلماء هذه الأزواج المترابطة لبناء مستشعرات فائقة الدقة وأنظمة اتصالات آمنة، لكنهم درسوها في الغالب باستخدام ضوء يتذبذب ببطء نسبي، على مقاييس زمنية تُقاس بالفيمتو ثانية. ورغم أن هذا سريع للغاية، إلا أنه لا يزال بطيئاً جداً لالتقاط الحركة العشوائية والجنونية للإلكترونات وهي تقفز حول الذرات. تتحرك الإلكترونات على مقياس زمني من فئة "الأتو ثانية"، وهي وحدة زمنية قصيرة جداً لدرجة أن مليار مليار منها يمكن أن تسع في ثانية واحدة. ولعقود من الزمن، كان التحدي يكمن في إنشاء وقياس هذه الروابط الكمومية بهذه السرعات القصوى، وهي مهمة تتطلب أدوات قادرة على رؤية الرقصة غير المرئية للإلكترونات دون تشويش الصورة.

لقد قطع فريق من الباحثين في معهد وايزمان للعلوم وتيتشون في إسرائيل خطوة رئيسية نحو حل هذا اللغز. فقد نجحوا في توليد وقياس الارتباطات الكمومية في نبضات من الضوء فوق البنفسجي المتطرف تستمر لبضع مئات فقط من الأتو ثانية. ولتحقيق ذلك، استخدموا حيلة ذكية تتضمن عملية تسمى "توليد التوافقيات العالية"، حيث يتم إطلاق شعاع ليزر قوي في غاز، مما يتسبب في إطلاق الذرات لدفقات من الضوء عالي الطاقة. في هذه التجربة، لم يستخدم الباحثون مجرد شعاع ليزر قياسي؛ بل أضافوا مجالاً ثانياً من الضوء أضعف يحتوي على أزواج من الفوتونات المترابطة. هذا المجال الضوئي الخاص، المعروف باسم "الفراغ المضغوط الساطع ثنائي النمط"، عمل كدفعة خفيفة للذرات في الغاز. ومع استجابة الذرات لهذه الدفعة، أطلقت دفقات من الضوء فوق البنفجفي المتطرف تحمل نفس الروابط السرية للضوء تحت الأحمر الأصلي، مما أدى فعلياً إلى ترجمة الرابط الكمومي من سرعة مألوفة وبطيئة إلى السرعة الهائلة لحركة الإلكترونات.

واجه الباحثون عقبة كبيرة: كانت نبضات الضوء التي صنعوها فوضوية، حيث تتقلب شدة سطوعها وتوقيتها بشكل جامح من دفعة إلى أخرى. لو نظروا إلى الضوء من أحد المسارين المترابطين فقط، لظهرت الإشارة كضوضاء عشوائية، مما يخفي أي نمط كامن. ومع ذلك، من خلال قياس الضوء من كلا المسارين في وقت واحد، تمكنوا من رؤية النظام الخفي. لقد اكتشفوا أنه بينما كانت النبضات الفردية صاخبة، فإن التقلبات في أحد المسارين كانت متطابقة تماماً مع التقلبات في المسار الآخر. كان الأمر كما لو أن شخصين يصرخان بكلمات عشوائية، ولكن إذا استمعت إليهما معاً، فإن أصواتهما ستلغي الضوضاء، مما يكشف عن إيقاع متزامن واضح. سمح هذا للفريق بإثبات أن الارتباطات الكمومية نجحت في رحلتها من طيف الأشعة تحت الحمراء، حيث تم إنشاؤها، وصولاً إلى طيف الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة، حيث تكون نبضات الضوء قصيرة بما يكفي لتتبع حركة الإلكترونات.

ولتأكيد أن هذه الاتصالات لم تكن تتعلق بالسطوع فحسب بل أيضاً بالتوقيت الدقيق لموجات الضوء، استخدم الفريق خاصية فريدة للضوء الذي ولدوه. فالارتباط بين الليزر والغاز أنتج نوعاً معيناً من نبضات الضوء التي لا تظهر إلا عندما يعمل المساران المترابطان معاً بطريقة دقيقة. ومن خلال ضبط التوقيت بعناية بين الليزر الرئيسي والضوء المترابط، لاحظ الباحثون ارتفاع وانخفاض شدة هذه النبضات الخاصة في نمط إيقاعي. أثبت هذا التذبذب أن المسارين لم يكونا مرتبطين في القوة فحسب، بل كانا أيضاً متزامنين في الطور، مما يعني أن قمم موجاتهما وقيعانهما متزامنة بدقة "أتو ثانية". وقد كان هذا الرصد بمثابة قياس مباشر للرابط الكمومي، مما أكد أن الباحثين قد نجحوا في نقل العلاقة الكمومية الدقيقة إلى نظام جديد فائق السرعة.

جاءت النتيجة الأكثر إثارة عندما أعاد الفريق بناء الشكل الفعلي لنبضات الضوء في الزمن. فقد وجدوا أنه بينما كانت النبضات الفردية عبارة عن فوضى من التقلبات العشوائية، فإن الإشارة المجمعة كشفت عن بنية كانت صامتة تقريباً للحظات وجيزة، تلتها دفقات مفاجئة من الضوضاء المكثفة. حدث هذا الانتقال من الفوضى إلى الصمت في غضون 30 أتو ثانية فقط. يوضح هذا الاكتشاف أن الارتباطات الكمومية ليست مجرد فضول إحصائي، بل هي بنية فيزيائية حقيقية يمكن التحكم فيها ومراقبتها. إن القدرة على توليد وقياس هذه الارتباطات على المقياس الزمني الطبيعي للإلكترونات تفتح باباً جديداً للعلم. فهي تشير إلى أنه في المستقبل، يمكن للباحثين استخدام هذه الأدوات لمراقبة كيفية تفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض داخل الجزيئات والمواد، مما قد يكشف عن طرق جديدة للتحكم في التفاعلات الكيميائية أو فهم السلوك الأساسي للمادة عند مستواها الأكثر بساطة.