فيزيائيون في مختبر SLAC يسجلون نبضات قياسية من الأشعة السينية الصلبة تقل عن 400 أتوثانية

MENLO PARK، كاليفورنيا — نجح فيزيائيون يُشغّلون Linac Coherent Light Source في مختبر SLAC National Accelerator Laboratory بكاليفورنيا في توليد وقياس أقصر نبضات أشعة سينية عالية الطاقة سُجلت على الإطلاق في ليزر إلكترون حر للأشعة السينية، حيث بلغت مددًا تقل عن 400 أتوثانية. ويُرسي هذا القياس عتبة تشغيلية جديدة لمنشآت ليزر الإلكترون الحر حول العالم، عبر ضغط مدة دفقات الفوتونات عالية الطاقة إلى نطاق قادر على التقاط أسرع العمليات الإلكترونية في المادة.

## حقائق رئيسية

- سجل فيزيائيون في Linac Coherent Light Source (LCLS) نبضات أشعة سينية صلبة بمدد تقل عن 400 أتوثانية، وهو ما يمثل أسرع عرض نبضة يُوثق على الإطلاق في ليزر إلكترون حر للأشعة السينية (XFEL). - تمثل الأتوثانية الواحدة جزءًا من كوينتيليون من الثانية ($10^{-18}$ ثانية)، وهو النطاق الزمني الذي يحكم حركة إلكترونات الغلاف الداخلي داخل الذرات والجزيئات. - يتضمن هذا الإنجاز الأشعة السينية الصلبة—وهي فوتونات عالية الطاقة ذات أطوال موجية قصيرة قادرة على اختراق المواد الكثيفة والتمييز بين البنى المكانية على المقياس الذري. - أُجريت التجارب في مختبر SLAC National Accelerator Laboratory في Menlo Park، كاليفورنيا، وهو مرفق تموله United States Department of Energy وتديره Stanford University. - يستند هذا الإنجاز إلى تقنيات ضغط النبضات المتطورة التي طُوّرت عبر منشآت ليزر الإلكترون الحر العالمية لتجاوز الحواجز التجريبية على مقياس الفيمتوثانية.

## ما حدث

بحسب ما أفادت به الصحفية العلمية Mrigakshi Dixit، نجحت فرق تجريبية تستخدم Linac Coherent Light Source (LCLS) في توليد نبضات أشعة سينية صلبة تقل مدتها عن 400 أتوثانية وتوصيفها توصيفًا مباشرًا في آن واحد. وتعمل الأشعة السينية الصلبة عند طاقات فوتونية تتجاوز عادة 5 إلى 10 كيلoelectronvolts، وتتميز بأطوال موجية على مقياس الأنغستروم تطابق المسافات الفاصلة بين الذرات في الشبكات البلورية الكيميائية.

في ليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية، تُنتج دفقات الضوء عن طريق تسريع حزم من الإلكترونات إلى سرعات نسبية—تقارب سرعة الضوء—عبر مسرع جسيمات خطي يمتد لكيلومتر. ثم تُوجّه حزم الإلكترونات المتسارعة هذه عبر undulators، وهي مصفوفات دورية من مغناطيسات دائمة متناوبة. وأثناء عبور الإلكترونات لهذا الهيكل المغناطيسي، تتذبذب عبر مسار متموج، باعثةً إشعاع سنكروتروني. ومن خلال عملية تسمى self-amplified spontaneous emission (SASE)، يتفاعل الضوء المنبعث مجددًا مع حزمة الإلكترونات، منظمًا الإلكترونات إلى حزم دقيقة بالغة الصغر تفصل بينها مسافات تعادل الطول الموجي للأشعة السينية. يؤدي هذا التجمع إلى تضخيم الإشعاع أسيًا ليتحول إلى نبضة ليزر متماسكة وشديدة السطوع.

تاريخيًا، أنتجت عمليات SASE القياسية نبضات استمرت لعدة عشرات من الفيمتوثانية (تعادل الفيمتوثانية الواحدة 1,000 أتوثانية). وللانتقال إلى نطاق الأتوثانية، يلجأ فيزيائيو المسرعات إلى تقنيات تشكيل متخصصة لحزم الإلكترونات، مثل استخدام أشعة ليزر بصرية عالية القدرة لتعديل شريحة موضعية من حزمة الإلكترونات، إلى جانب استخدام chicanes مغناطيسية مشقوقة تتخلص من الشحنات المتجمعة دقيقًا باستثناء شريحة ضئيلة منها.

إن توليد وميض أشعة سينية صلبة في نطاق الأتوثانية لا يمثل سوى نصف المعادلة الهندسية؛ إذ يمثل قياسه عقبة تقنية لا تقل صعوبة. فكواشف الضوء التقليدية تعمل على مقاييس النانوثانية أو البيكوثانية، ولا يمكنها التمييز بين أحداث تفصل بينها أجزاء من الكوينتيليون من الثانية. ولتأكيد حاجز ما دون 400 أتوثانية، توجّب على الفريق البحثي تطبيق أساليب تشخيصية فائقة السرعة، تستخدم عادةً تقنية التخطيط الزاوي (angular streaking) أو أجهزة مطيافية إلكترونية عالية الدقة لإعادة بناء المخطط الزمني للأشعة السينية استنادًا إلى الإلكترونات الضوئية الثانوية المنبعثة من غاز مستهدف.

## أهمية هذا الإنجاز

تجسر القدرة على إنتاج نبضات أشعة سينية صلبة تقل عن 400 أتوثانية مفاضلة فيزيائية طال أمدها بين الدقة المكانية والدقة الزمنية في الديناميكا الجزيئية. ففي الطبيعة، تحدث حركات النوى الذرية بصورة أساسية على مقياس الفيمتوثانية الزمني، وهو ما يقابل اهتزازات الروابط الكيميائية وإعادة الترتيب الجزيئي. ومع ذلك، فإن الإلكترونات التي تتوسط هذه الروابط تتحرك بسرعة أكبر بكثير، تحت مظلة مقياس الأتوثانية الزمني. فالإلكترون الذي يدور حول نواة ذرة هيدروجين، على سبيل المثال، يحتاج إلى نحو 151 أتوثانية لإكمال دورة مدارية واحدة.

وحتى وقت قريب، كان علم الأتوثانية محصورًا إلى حد كبير في أنظمة ليزر توليد التوافقيات العالية (HHG) المنضدية. ورغم أن أنظمة HHG تنتج نبضات أتوثانية بانتظام، إلا أنها تولد بشكل رئيسي فوتونات فوق بنفسجية قصوى (EUV) أو أشعة سينية ناعمة منخفضة الطاقة. وتفتقر هذه الفوتونات منخفضة الطاقة إلى عمق الاختراق والأطوال الموجية على مقياس الأنغستروم المطلوبة لتحديد المواقع الذرية الفردية داخل الجزيئات المعقدة أو مواد الحالة الصلبة.

وتحل الأشعة السينية الصلبة المولدة بواسطة XFEL هذه المشكلة من خلال الجمع بين الدقة المكانية دون الذرية ومدة الأتوثانية. ويتيح تحقيق نبضات تقل عن 400 أتوثانية لعلماء الأحياء البنيوية، وفيزيائيي الحالة الصلبة، وعلماء المواد، تصميم تجارب pump-probe التي تتعقب هجرات إلكترونات الغلاف الداخلي في الوقت الفعلي. وفي مثل هذه التجارب، تُطلق نبضة ليزر أولية تفاعلًا كيميائيًا أو انتقالًا إلكترونيًا، في حين تلتقط نبضة أشعة سينية صلبة متزامنة تقل عن 400 أتوثانية لقطة خاطفة لتكوين الشحنة الناتج قبل أن تجد النوى الذرية المحيطة وقتًا للتحرك.

ولهذه القدرة تداعيات مباشرة على دراسة أضرار الإشعاع، وأداء أشباه الموصلات، والمواد الكمومية، والتمثيل الضوئي الاصطناعي. ويُعد فهم كيفية انتقال الشحنات عبر الجزيئات في أجزاء من الفيمتوثانية أمرًا جوهريًا لتصميم خلايا شمسية أكثر كفاءة، ومنع التدهور الهيكلي في الإلكترونيات المعرضة للإشعاع، والتحكم في التفاعلات الكيميائية التحفيزية عند أدق مستوياتها الأساسية.

## الخلفية

حدد السعي الحثيث لإنتاج نبضات ضوئية أقصر ملامح علم البصريات فائقة السرعة لأكثر من خمسة عقود، متدرجًا من ليزرات الياقوت بمقياس البيكوثانية في الستينيات إلى ليزرات التيتانيوم-ياقوت بمقياس الفيمتوثانية في الثمانينيات والتسعينيات. وفُتحت آفاق الأتوثانية رسميًا في مطلع القرن الحادي والعشرين، عندما أثبت باحثون أن تركيز نبضات ليزر مكثفة من الأشعة تحت الحمراء داخل غازات نبيلة يمكن أن يُنتج دفقات من إشعاع التوافقيات العالية تُقاس بمئات الأتوثواني. وأدى هذا العمل الرائد إلى منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 لكل من Pierre Agostini وFerenc Krausz وAnne L’Huillier لتطويرهم أساليب تجريبية تولد نبضات أتوثانية لدراسة ديناميكا الإلكترونات.

وبالتوازي مع تطورات الليزر المنضدي، سعى مجتمع مسرعات الجسيمات الدولي إلى بناء مصادر ضوئية واسعة النطاق. وفي عام 2009، أطلق SLAC مصدر Linac Coherent Light Source الأصلي، محولًا جزءًا يمتد لكيلومتر واحد من مسرعه الخطي التاريخي للتردد اللاسلكي والبالغ طوله ثلاثة كيلومترات إلى أول ليزر إلكترون حر للأشعة السينية الصلبة في العالم. وقد وفر المرفق نبضات أشعة سينية تفوق سطوع السنكروترونات ذات حلقات التخزين بمليار مرة، غير أن النبضات الأولية كانت تمتد لعشرات الفيمتوثواني.

وعلى مدى العقد الماضي، دخلت منشآت كبرى أخرى الخدمة للمنافسة في نطاق الأشعة السينية الصلبة، ومنها منشأة SACLA في اليابان (2011)، وPAL-XFEL في كوريا الجنوبية (2016)، وEuropean XFEL في هامبورغ بألمانيا (2017)، وSwissFEL في سويسرا (2017). وعبر هذه المنشآت، طوّر الباحثون أوضاع تشغيل متخصصة، مثل مشروع X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) في SLAC، خصيصًا لتقليص مدة النبضات من عشرات الفيمتوثواني إلى مئات الأتوثواني.

وفي السنوات الأخيرة، أتم SLAC ترقية كبرى للبنية التحتية تُعرف باسم LCLS-II، مدخلًا مسرعًا خطيًا للتردد اللاسلكي فائق التوصيل قادرًا على إطلاق ما يصل إلى مليون نبضة في الثانية، مقارنة بـ 120 نبضة في الثانية في المرفق الأصلي. وقد وفر هذا الاستثمار المستمر في بنية المسرع الاستقرار التشغيلي اللازم لعزل حزم الأشعة السينية الصلبة التي تقل مدتها عن 400 أتوثانية والتحكم فيها وقياسها بدقة.

## ردود الفعل

في حين يحدد تقرير Mrigakshi Dixit ملامح الإنجاز التجريبي، فإن ردود الفعل الرسمية من الهيئات المؤسسية والمجتمع الأكاديمي الأوسع ستتبلور مع تداول المنشورات المحكّمة التي تفصل المعايير الدقيقة للمسرع. وعادةً ما يُدرج Office of Basic Energy Sciences بوزارة الطاقة، والذي يشرف على تمويل SLAC ومرافق السنكروترون المماثلة المتاحة للمستخدمين، مثل هذه المعايير القياسية في خرائط طريق المنشآت المستقبلية.

وفي مجتمعات الفيزياء فائقة السرعة والديناميكا الكيميائية، يُتوقع من الباحثين الذين يعتمدون على مقترحات إتاحة استخدام منشأة SLAC أن يدرسوا مدى سهولة دمج وضع التشغيل هذا في مسارات الحزم التجريبية القياسية. وغالبًا ما تمثل المؤتمرات العلمية الرائدة، بما في ذلك الاجتماعات التي تعقدها American Physical Society والجمعية البصرية (Optica)، المحافل التي تدقق فيها مجموعات الأقران في منهجية القياس وعتبات الإشارة إلى الضوضاء ومعايير التماسك المكاني التي تستند إليها ادعاءات النبضات القياسية.

## ما لا نعرفه بعد

لا تزال عدة معايير تشغيلية رئيسية غير محددة في التقرير التلخيصي الأولي. أولًا، لم يُذكر العرض الدقيق للنبضة—بخلاف التصنيف العام بأنها تقل عن 400 أتوثانية—كما لم يُذكر هامش الخطأ التجريبي المرتبط بتقنية التشخيص الزمني. ويُعد تحديد ما إذا كانت النبضات تُقاس باستمرار بالقرب من 350 أتوثانية أو 100 أتوثانية أمرًا حاسمًا للباحثين الذين يخططون لإجراء تجارب على مقاييس زمنية محددة للاضمحلال دون الذري.

ثانيًا، لم تُفصّل طاقة النبضة والتدفق الفوتوني لكل دفقة. ففي فيزياء ليزر الإلكترون الحر، يؤدي ضغط حزمة الإلكترونات لتقصير مدة النبضة في كثير من الأحيان إلى تقليل العدد الإجمالي للفوتونات المنبعثة في كل نبضة. وإذا انخفضت طاقة النبضة بشكل مفرط، يصبح التقاط أنماط حيود واضحة أو إشارات طيفية من عينات مخففة أمرًا صعبًا من الناحية الإحصائية.

ثالثًا، لا يزال من غير المؤكد ما إذا كان وضع التشغيل بأقل من 400 أتوثانية مستقرًا حاليًا بما يكفي لإتاحته كإعداد تشغيلي قياسي للعلماء الزائرين بوجه عام في LCLS، أو ما إذا كان لا يزال مجرد عرض تجريبي لتطوير الآلة يتطلب تدخلاً يدويًا للتحسين بواسطة متخصصي المسرعات.

## ما تجب متابعته

في المرحلة المقبلة، ستحدد عدة محطات مدى الجدوى التشغيلية لهذا الإنجاز المبتكر. وتتمثل الخطوة التالية المباشرة في نشر ورقة بحثية مفصلة ومحكّمة في إحدى المجلات المرموقة في العلوم الفيزيائية، توضح تكوينات undulator، ومقاييس ضغط حزم الإلكترونات، وخوارزميات إعادة البناء المستخدمة للتحقق من مدة النبضة.

كما ستتجه أنظار المراقبين إلى دورات مقترحات حجز وقت الحزمة القادمة التي سينشرها SLAC. فإذا أدرج المرفق إمكانية توفير أشعة سينية صلبة تقل عن 400 أتوثانية في دعوته لتقديم المقترحات من المستخدمين، فسيكون ذلك مؤشرًا على أن مهندسي المرفق قد حلوا تحديات استقرار الحزمة وقابلية تكرار النبضات، وهي تحديات تعقد عادةً تجارب الأتوثانية.

بالإضافة إلى ذلك، ستستحق ردود الفعل الواردة من المنشآت الدولية المنافسة المتابعة؛ إذ تحتفظ مرافق مثل European XFEL في ألمانيا وSwissFEL في سويسرا بفرق بحثية متخصصة في تشكيل النبضات فائقة السرعة. وسيكون لمدى سرعة المؤسسات النظيرة في استنساخ عتبة ما دون 400 أتوثانية أو تجاوزها في نطاق الأشعة السينية الصلبة دور حاسم في تحديد مدى سرعة تحول هذا المستوى من الدقة الزمنية إلى معيار معتمد في كافة قطاعات أبحاث الجزيئات والمواد.

يستند هذا التقرير إلى تغطية أعدتها Mrigakshi Dixit.