نـبـضــة «ليـــزر زيـــوس» الأميــركــي
ويُعرَف الواط بأنه وحدة قياس القدرة أو الطاقة في الثانية، ولغرض المقارنة، فإن قدرة مصباح كهربي قد تكون 20 واطا مثلا.
لكن هذه الطاقة الهائلة في التجارب لم تدم إلا لفترة فائقة القصر، تساوي حوالي 25 كوينتيليون جزء من الثانية فقط، حسب بيان صحفي رسمي من الجامعة.
عبر الياقوت الأزرق
في التجارب، يتم توليد نبضة ليزرية أولية ضعيفة جدا باستخدام بلورة «تيتانيوم-ياقوت أزرق»، هذه النبضة تكون قصيرة جدا (أقل من جزء من تريليون ثانية) وطاقتها منخفضة جدا ولا تكفي للتجارب.
قبل أن تُضخّم، يتم إبطاء النبضة وتمديدها زمنيا لتصبح أطول بمقدار كبير، لأن تركيز طاقة عالية جدا في زمن قصير يمكن أن يحطم المرايا والعدسات.
بعد ذلك تمر النبضة الممددة عبر عدة مراحل تضخيم باستخدام ليزرات أخرى (تسمى مضخات)، ومع كل مرحلة، يتم زيادة طاقتها تدريجيا دون أن تُكسر أي من مكونات الجهاز.
بعد تضخيمها، تمر النبضة عبر جهاز يُسمى الضاغط، وهذا الجهاز يُعيد النبضة إلى مدتها الزمنية الأصلية القصيرة جدا، لكنها الآن تحمل طاقة هائلة جدا ومركّزة.
وأخيرا، يتم تركيز النبضة بواسطة عدسات خاصة بحيث تصبح ضيقة جدا (أقل من ميكرون واحد عرضا)، وهذا ما يرفع قدرة الذروة إلى مستويات بيتاواط (كوادريليون واط).
ولغرض التقريب، تخيل أنك سكبت الماء دفعة واحدة في خرطوم صغير، هنا قد ينفجر هذا الخرطوم، لذا يمدد العلماء النبضة (كأنك تجعل الماء ينساب ببطء)، ثم يرفعون طاقتها، ثم يضغطونها فجأة في النهاية لتخرج كشعاع فائق القوة.
خلال الهيليوم
وفي التجارب، أطلق العلماء نبضة ليزر قوية جدا داخل خلية صغيرة مملوءة بغاز الهيليوم. هذه النبضة حوّلت الغاز إلى بلازما، وهي حالة من المادة تكون فيها الإلكترونات حرة الحركة (ليست مرتبطة بالذرات).
وعندما تتحرَّك النبضة في البلازما، تزيح الإلكترونات عن طريقها، فتتشكل خلفها موجة ضخمة داخل البلازما، هذه الموجة تشبه الموجات التي يتركها قارب سريع خلفه في الماء.
بعد ذلك، تركب الإلكترونات القريبة هذه الموجة كما يركب المتزلجون على الأمواج، فتندفع إلى الأمام بسرعة هائلة وتكتسب طاقة عالية جدا.
والنتيجة أن التجربة أنتجت حزمة من الإلكترونات بطاقة قد تصل إلى 5-10 أضعاف ما كانوا يحققونه سابقا في المختبر نفسه.
خطط مستقبلية
ويخطط العلماء حاليا لتطوير ليزر زيوس ليصبح أقوى، عن طريق تركيب بلورة «سافير» ضخمة جدا، هذه البلورة تحتاج إلى 4.5 سنوات للنمو بشكل مثالي لأنها كبيرة جدا ودقيقة جدا، وبعد تركيبها، سيصل الليزر إلى قوة 3 كوادريليونات واط. ويخطط العلماء في التجارب التالية لإطلاق حزمة من الإلكترونات بسرعة عالية جدا، وفي الوقت نفسه، سيُطلق شعاع ليزر قوي جدا من الاتجاه المعاكس ليصطدم بهذه الإلكترونات.
من وجهة نظر الإلكترونات، سيبدو الأمر وكأنها تتعرض إلى نبضة ليزر بقوة زيتاواط (مليون كوادريليون واط)، وهو مستوى قوة لا يمكننا الوصول إليه مباشرة على الأرض.
هذه التجربة ستساعد العلماء على فهم فيزياء الكون تحت ظروف شديدة التطرف، مثل تلك الموجودة قرب الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.
تطبيقات متنوعة
وحتى قبل الوصول إلى تلك القدرات الكبيرة، يمكن لليزر زيوس أن يكون متنوع الاستخدامات، حيث يمكن أن يمثل منصة لإطلاق أشعة إكس ليزرية قصيرة للغاية، تفتح الباب أمام تصوير داخلي دقيق جدا للأعضاء (مثل سرطان الثدي) باستخدام جرعات أقل من الإشعاع.
كما يمكن أن يساعد هذا النوع من الليزر في تجارب الضغط والتسريع المدفوعة بالبلاز، والتي تسمح بدراسة كيفية تشكّل المادة تحت ظروف قاسية كما في قلب النجوم أو المادة المضغوطة.
وبالطبع هناك فرصة للاستخدام الأمني والعسكري لهذا النوع من الليزر، حيث يمكنه إنتاج أشعة قوية جدا تخترق المواد وتكشف تركيبتها، وقد يساعد ذلك في التعرف على المتفجرات أو الأسلحة الكيميائية أو النووية المخفية في الحاويات أو الأمتعة، كما أن بعض الدراسات تهدف إلى استخدام الليزرات فائقة القوة كوسيلة لتعطيل أجهزة إلكترونية معادية أو صد الصواريخ.
في النهاية فإن ليزر زيوس ليس سلاحا بحد ذاته، لكنه أداة علمية يمكن أن تساعد في التطوير الدفاعي بطرق عديدة.
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
جريدة الوطن
منذ 2 أيام
- جريدة الوطن
تحويل الضوء إلى مادة فائقة الصلابة
في عالمنا اليوم، نعرف 3 حالات تقليدية للمادة، وهي الصلبة التي لها شكل ثابت، مثل الجليد أو المعادن، والسائلة التي تتدفق بحرية، مثل الماء، والغازية مثل الهواء، الذي ينتشر لملء أي فراغ. وهناك كذلك حالات مثل البلازما، والتي توجد في الشمس، وتتكون من جسيمات مشحونة كهربائيا. مادة فائقة الصلابة لكن في عالم الفيزياء الكمومية، تظهر حالات أغرب، مثلا يمكن أن تجمع «المادة فائقة الصلابة» بين خصائص الصلب والسائل معا. هذه المادة، يمكنها أن تتصرف مثل الصلب والسائل في نفس الوقت، وهي حالة كمومية غريبة من المادة تمتلك بنية صلبة مثل البلورة، لكنها في نفس الوقت تتدفق بسلاسة مثل السائل من دون أي احتكاك. تخيل صفّا من قطرات الماء يمكنه أن يتحرك بسلاسة، لكن المسافة بين القطرات لا تتغير أبدا، هذا شيء مستحيل في عالمنا العادي، لكنه ممكن في العالم الكمومي. ويقول عالم الفيزياء الذرية والبصرية، إياكوبو كاروسوتو، من جامعة ترينتو في إيطاليا في تصريح رسمي حصلت الجزيرة نت على نسخة منه: «هذه القطرات قادرة على التدفق عبر عائق من دون التعرض لاضطرابات، مع الحفاظ على ترتيبها المكاني ومسافتها المتبادلة من دون تغيير كما يحدث في المواد الصلبة البلورية». ولم تكن المواد الصلبة الفائقة تُصنع سابقا إلا من الذرات، لكن فريقا يقوده علماء من المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا نجح الآن في صنع مادة صلبة فائقة باستخدام الفوتونات لأول مرة. الضوء وحركاته الضوء هو طاقة نقية، وليس مادة، لذلك فهو لا يتصرف عادة مثل الصلب أو السائل، لكن العلماء استخدموا حيلة فيزيائية ذكية لجعل الضوء يتصرف مثل المادة، بحسب الدراسة التي نشرت في الدورية المرموقة «نيتشر». الخطوة الأولى كانت جعل الضوء «يلتصق» بالمادة، وحتى يصبح الضوء أقرب إلى المادة، يجب دمجه مع جسيمات مادية. وللقيام بذلك، استخدم العلماء حزمة ضوئية مركزة (ليزر) وتم توجيهها على مادة خاصة تُعرف باسم زرنيخيد الغاليوم، وهو مركب من عناصر الغاليوم والزرنيخ. عند اصطدام الضوء بالمادة، بدأ بالتفاعل مع الإلكترونات داخل المادة، مما أدى إلى ظهور جسيمات شبه مادية تُسمى البولاريتونات، وللتقريب فقط يمكن تصور أنها جسيمات «هجينة» جزء من الضوء وجزء من المادة. بعد ذلك، دفع العلماء بالبولاريتونات، عبر عمليات توجيه معقدة لتسلك سلوك المواد فائقة الصلابة. واصطلاح «شبه مادية» يشير إلى نوع غير معتاد من المادة يسميه العلماء أشباه الجسيمات، ولفهم الفكرة تخيل مثلا موجة تشجيع يصنعها الجمهور في أحد الملاعب، هذه الموجة ليست مجرد شخص واحد يتحرك، بل إن الحركة الجماعية للجمهور تخلق «موجة» تبدو وكأنها كيان مستقل يتحرك من تلقاء نفسه. وبالمثل، تنشأ أشباه الجسيمات من الحركات المنسقة أو التفاعلات بين العديد من الجسيمات داخل المادة، فتتصرف الإضطرابات بطريقة تجعلها تبدو كما لو كانت كيانات مستقلة، رغم أنها ليست جسيمات أساسية في الواقع، مثل البروتونات أو الإلكترونات. تطبيقات واعدة وللتأكد من نجاح التجربة، أجرى العلماء بعض الاختبارات المهمة مثل قياس كثافة المادة الناتجة ووجدوا أنها تتوزع في شكل قمتين كبيرتين مع فجوة بينهما، وهو دليل على وجود مادة فائقة الصلابة، كما استخدموا تقنيات أخرى لقياس الحالة الكمومية للنظام، ووجدوا أن الترتيب الكمومي بقي ثابتا عبر النظام بأكمله، وهذا يؤكد أن المادة كانت بالفعل فائقة الصلابة. ويُمثل هذا الابتكار تقدما في فيزياء الكم، حيث يفتح تحويل الضوء إلى حالة صلبة فائقة بهذه الطريقة آفاقا لتقنيات ضوئية جديدة، مثل تطوير أجهزة الليزر والأجهزة البصرية من الجيل التالي ذات الأداء المُحسّن والوظائف الجديدة، كما يمكن أن يساعد ذلك على استكشاف أعمق لطبيعة المادة والضوء في العالم الكمومي. وبشكل عام، تتميز المواد فائقة الصلابة بخصائص كمية فريدة يُمكن تسخيرها لتطوير «كيوبتات» أكثر استقرارا وكفاءة، وهي الوحدات الأساسية للحواسيب الكمومية. ويمكن للمواد فائقة الصلابة كذلك أن تساعد في تطوير أجهزة قياس دقيقة، حيث إن حساسية المواد الصلبة الفائقة للمحفزات الخارجية تجعلها مثاليةً لإنشاء مستشعرات عالية الدقة، ويمكن لهذه المستشعرات أن تُحدث ثورة في المجالات التي تتطلب قياسات دقيقة، بما في ذلك الفيزياء الفلكية وتكنولوجيا النانو.
جريدة الوطن
منذ 5 أيام
- جريدة الوطن
مــــادة كـمــــومــيـــــة ثـــوريـــــة
تخيل أن لديك مصباحا كهربائيا يحتاج إلى سلك موصل للكهرباء لكي يضيء، وآخر عازلا لمنع مرور التيار في أماكن معينة. وحتى الآن، كانت الأجهزة الإلكترونية تعتمد على مواد مختلفة لأداء هذين الدورين، ولكن فريقا بحثيا من جامعة نورث إيسترن الأميركية تمكن من تطوير مادة كمومية تستطيع التغير بين حالتي التوصيل والعزل بسرعة مذهلة، مما قد يُحدث ثورة في عالم الإلكترونيات. والمادة الكمومية نوع خاص من المواد تظهر خصائص فيزيائية غريبة وفريدة بسبب تأثيرات ميكانيكا الكم داخلها، أي أن سلوك الإلكترونات داخلها لا يتبع القوانين العادية للمواد، بل يخضع لقوانين ميكانيكا الكم، مما يؤدي إلى ظهور خواص غير معتادة مثل التوصيل الفائق، والمغناطيسية الغريبة، أو تغيرات سريعة في حالة التوصيل الكهربائي. واستخدم الباحثون بهذا الإنجاز -الذي تم الإعلان عنه في دورية «نيتشر فيزيكس»- مادة مركبة من التانتالوم والكبريت (تشتهرباسم «تاس2») وهي مركب كيميائي ينتمي لفئة المواد الثنائية الأبعاد مثل الجرافين، وتتميز بترتيب إلكتروني معقد يجعلها تتغير بين حالات مختلفة مثل الحالة المعدنية الموصلة للكهرباء، والحالة العازلة. وما قام به الباحثون في الدراسة الجديدة هو ابتكار طريقة جديدة للتحكم في هذه المادة، بحيث يمكنهم تغيير حالتها الكهربائية بسرعة وثبات عند درجات حرارة قريبة من حرارة الغرفة، وهو إنجاز لم يكن متاحا سابقا. البناء على ما سبق ويبني هذا الإنجاز على أعمال سابقة استخدمت نبضات ليزر فائقة السرعة لتغيير كيفية توصيل المواد للكهرباء بشكل مؤقت، لكن تلك التغييرات كانت تدوم لفترات قصيرة جدا وعادةً في درجات حرارة منخفضة للغاية. ولكن الباحثين يؤكدون في دراستهم أنهم تمكنوا مع المادة الكمومية المطورة من الاحتفاظ بالحالة الموصلة أو العازلة لفترات طويلة عند درجات حرارة قريبة من حرارة الغرفة، وهو ما لم يكن ممكنا سابقا. وأوضحوا أن التحويل بين التوصيل والعزل عند الحاجة يتحقق بمجرد تسليط ضوء أو استخدام حرارة معينة، مما يجعل الأجهزة الإلكترونية أصغر في الحجم وأكثر كفاءة وأسرع في الأداء. ويقول ألبرتو دي لا توري أستاذ مساعد في الفيزياء بجامعة نورث إيسترن والمؤلف الرئيسي للبحث في بيان نشره موقع الجامعة «هذا الاكتشاف يفتح الباب أمام تطوير أجهزة حاسوب وهواتف ذكية أسرع كثيرا، حيث يمكن التحكم في تدفق الكهرباء في المادة بسرعة تقارب سرعة الضوء، مما يعني أداء غير مسبوق ينقل سرعة المعالجات من غيغاهيرتز إلى تيراهيرتز، مما يجعل الحواسيب أسرع بألف مرة». ويضيف أن «هذه الخطوة تمثل بداية عصر جديد في عالم الإلكترونيات، قد يحل محل تكنولوجيا السيليكون الحالية ويغير شكل الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها يوميا».
جريدة الوطن
٠٨-٠٧-٢٠٢٥
- جريدة الوطن
نـبـضــة «ليـــزر زيـــوس» الأميــركــي
أعلنت منشأة زيوس في جامعة ميتشجن الأميركية عن تشغيل شعاع ليزر يُنتج قوة مذهلة تبلغ 2 كوادريليون واط في نبضة واحدة، بقدرة تفوق 100 ضعف إنتاج الطاقة الكهربائية العالمية مجتمعة. ويُعرَف الواط بأنه وحدة قياس القدرة أو الطاقة في الثانية، ولغرض المقارنة، فإن قدرة مصباح كهربي قد تكون 20 واطا مثلا. لكن هذه الطاقة الهائلة في التجارب لم تدم إلا لفترة فائقة القصر، تساوي حوالي 25 كوينتيليون جزء من الثانية فقط، حسب بيان صحفي رسمي من الجامعة. عبر الياقوت الأزرق في التجارب، يتم توليد نبضة ليزرية أولية ضعيفة جدا باستخدام بلورة «تيتانيوم-ياقوت أزرق»، هذه النبضة تكون قصيرة جدا (أقل من جزء من تريليون ثانية) وطاقتها منخفضة جدا ولا تكفي للتجارب. قبل أن تُضخّم، يتم إبطاء النبضة وتمديدها زمنيا لتصبح أطول بمقدار كبير، لأن تركيز طاقة عالية جدا في زمن قصير يمكن أن يحطم المرايا والعدسات. بعد ذلك تمر النبضة الممددة عبر عدة مراحل تضخيم باستخدام ليزرات أخرى (تسمى مضخات)، ومع كل مرحلة، يتم زيادة طاقتها تدريجيا دون أن تُكسر أي من مكونات الجهاز. بعد تضخيمها، تمر النبضة عبر جهاز يُسمى الضاغط، وهذا الجهاز يُعيد النبضة إلى مدتها الزمنية الأصلية القصيرة جدا، لكنها الآن تحمل طاقة هائلة جدا ومركّزة. وأخيرا، يتم تركيز النبضة بواسطة عدسات خاصة بحيث تصبح ضيقة جدا (أقل من ميكرون واحد عرضا)، وهذا ما يرفع قدرة الذروة إلى مستويات بيتاواط (كوادريليون واط). ولغرض التقريب، تخيل أنك سكبت الماء دفعة واحدة في خرطوم صغير، هنا قد ينفجر هذا الخرطوم، لذا يمدد العلماء النبضة (كأنك تجعل الماء ينساب ببطء)، ثم يرفعون طاقتها، ثم يضغطونها فجأة في النهاية لتخرج كشعاع فائق القوة. خلال الهيليوم وفي التجارب، أطلق العلماء نبضة ليزر قوية جدا داخل خلية صغيرة مملوءة بغاز الهيليوم. هذه النبضة حوّلت الغاز إلى بلازما، وهي حالة من المادة تكون فيها الإلكترونات حرة الحركة (ليست مرتبطة بالذرات). وعندما تتحرَّك النبضة في البلازما، تزيح الإلكترونات عن طريقها، فتتشكل خلفها موجة ضخمة داخل البلازما، هذه الموجة تشبه الموجات التي يتركها قارب سريع خلفه في الماء. بعد ذلك، تركب الإلكترونات القريبة هذه الموجة كما يركب المتزلجون على الأمواج، فتندفع إلى الأمام بسرعة هائلة وتكتسب طاقة عالية جدا. والنتيجة أن التجربة أنتجت حزمة من الإلكترونات بطاقة قد تصل إلى 5-10 أضعاف ما كانوا يحققونه سابقا في المختبر نفسه. خطط مستقبلية ويخطط العلماء حاليا لتطوير ليزر زيوس ليصبح أقوى، عن طريق تركيب بلورة «سافير» ضخمة جدا، هذه البلورة تحتاج إلى 4.5 سنوات للنمو بشكل مثالي لأنها كبيرة جدا ودقيقة جدا، وبعد تركيبها، سيصل الليزر إلى قوة 3 كوادريليونات واط. ويخطط العلماء في التجارب التالية لإطلاق حزمة من الإلكترونات بسرعة عالية جدا، وفي الوقت نفسه، سيُطلق شعاع ليزر قوي جدا من الاتجاه المعاكس ليصطدم بهذه الإلكترونات. من وجهة نظر الإلكترونات، سيبدو الأمر وكأنها تتعرض إلى نبضة ليزر بقوة زيتاواط (مليون كوادريليون واط)، وهو مستوى قوة لا يمكننا الوصول إليه مباشرة على الأرض. هذه التجربة ستساعد العلماء على فهم فيزياء الكون تحت ظروف شديدة التطرف، مثل تلك الموجودة قرب الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية. تطبيقات متنوعة وحتى قبل الوصول إلى تلك القدرات الكبيرة، يمكن لليزر زيوس أن يكون متنوع الاستخدامات، حيث يمكن أن يمثل منصة لإطلاق أشعة إكس ليزرية قصيرة للغاية، تفتح الباب أمام تصوير داخلي دقيق جدا للأعضاء (مثل سرطان الثدي) باستخدام جرعات أقل من الإشعاع. كما يمكن أن يساعد هذا النوع من الليزر في تجارب الضغط والتسريع المدفوعة بالبلاز، والتي تسمح بدراسة كيفية تشكّل المادة تحت ظروف قاسية كما في قلب النجوم أو المادة المضغوطة. وبالطبع هناك فرصة للاستخدام الأمني والعسكري لهذا النوع من الليزر، حيث يمكنه إنتاج أشعة قوية جدا تخترق المواد وتكشف تركيبتها، وقد يساعد ذلك في التعرف على المتفجرات أو الأسلحة الكيميائية أو النووية المخفية في الحاويات أو الأمتعة، كما أن بعض الدراسات تهدف إلى استخدام الليزرات فائقة القوة كوسيلة لتعطيل أجهزة إلكترونية معادية أو صد الصواريخ. في النهاية فإن ليزر زيوس ليس سلاحا بحد ذاته، لكنه أداة علمية يمكن أن تساعد في التطوير الدفاعي بطرق عديدة.
