الجمعة , فبراير 28 2020

علماء يبتكرون طريقة جديدة لرؤية حركات الإلكترون باستخدام أشعة ليزر السينية – ترجمة* حسن المرهون

هذه الطريقة الجديدة ، التي يطلق عليها (XLEAP) ، ستقدم فهما أكثر وضوحا للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في وقت أقصر من لمح البصر، نتحدث عن مليار من مليار من الثانية.

فريق من العلماء اخترعوا طريقة لمراقبة حركات الإلكترونات باستخدام رشقات قوية من أشعة ليزر السينية كل 280 أتوثانية أي ما يعادل (مليار من مليار من الثانية).

تعتبر هذه الطريقة (XLEAP) وتعني (جيل نبضة أتوثانية المعززة بأشعة ليزر السينية) ثورة تقنية وتقدم كبير كان العلماء يسعون على تحقيقه منذ سنوات ، إذ أنها تمهد الطريق لإجراء دراسات حول كيفية قيام الإلكترونات التي تتحرك حول الجزيئات داخل الذرة بالشروع بالتفاعلات الحيوية التي نراها في مجالات علم الأحياء والكيمياء وغيرها.

التقنيات المتوفرة حتى الأن تمكننا من مراقبة حركات النوى الذرية بدقة ، لكن حركات الإلكترونات السريعة جدا والمسؤولة عن التفاعلات الكيميائية لا يمكن مراقبتها قبل إبتكار هذه الطريقة.  فبهذه الطريقة ، سنكون قادرين على استخدام أشعة ليزر السينية لمراقبة كيف تتحرك الإلكترونات وكيف يمهد هذا الكشف الطريق لكيمياء المستقبل. إنها نقلة علمية بلا شك.

يمكن أن تكشف الدراسات لحركة الإلكترونات عن الكثير من الحقائق الغامضة ، على سبيل المثال: كيف يحرك امتصاص الضوء أثناء عملية التمثيل الضوئي الإلكترونات من مكانها ويبدأ سلسلة من التفاعلات التي تولد الأكسجين.

أجوستينو مارينيلي ، أحد رواد مشروع (XLEAP) يقول: “من خلال XLEAP ، يمكننا إنتاج نبضات الأشعة السينية ذات الطاقة المناسبة التي تكون أكثر سطوعا بأكثر من مليون مرة من نبضات الأتوثانية ذات الطاقة المماثلة “. “سوف يتيح لنا هذا ، القيام بالكثير من الأشياء التي طالما أراد الناس القيام بها باستخدام أشعة ليزر السينية – وعلى نطاقات زمنية تقاس ب أتوثانية”.

(تعريف أتوثانية: هي وحدة زمنية لقياس الوقت الذي ينتقل فيه الإلكترون من مكان لآخر ويعادل 1810 من الثانية).

طفرة  في علم الأشعة السينية فائقة السرعة

أتوثانية واحدة هي مدة زمنية قصيرة جدا جدا جدا بحيث أنها لا تصدق ولا يمكن إستيعابها. إذ أن وحدتين من الأتوثانية تعادل مقارنة الى الثانية الواحدة بعمر الكون (أتوثانية إلى الثانية يعادل ثانية إلى 31.71 مليار سنة). في السنوات الأخيرة ، أحرز العلماء الكثير من التقدم في إنشاء نبضات أشعة سينية من نوع الأتوثانية. ومع ذلك ، كانت هذه النبضات إما ضعيفة للغاية أو لم تكن لديها الطاقة المناسبة للإلتصاق بحركات الإلكترون السريعة.

على مدار السنوات الثلاث الماضية ، اكتشف مارينيلي وزملاؤه كيف يمكن استخدام طريقة أشعة ليزر السينية في توليد نبضات ذات خصائص مناسبة – وهو جهد نتج عنه طريقة (XLEAP). واستطاع الفريق إجراء تجارب لإنتاج أزواج زمنية محددة بدقة من نبضات أشعة ليزر السينية قادرة على تحريك الإلكترونات.

تولد أشعة الليزر السينية ومضات ضوئية تدوم لجزء من البليون من البليون من الثانية أو ما يسمى ب فيمتوثانية ( الفيمتوثانية تعادل جزء من الثانية = 10 مرفوع الى سالب 15) . تبدأ العملية بإنشاء حزمة من الإلكترونات يتم تجميعها وإرسالها عبر مسرع الجسيمات ، حيث تكتسب الطاقة،  وتنتقل بسرعة الضوء عبر مجال مغناطيسي ، فيتم تحويل بعض طاقة هذه الإلكترونات إلى رشقات أشعة سينية.

كلما كانت مجموعات الإلكترونات أقصر وأكثر سطوعا، كلما زادت رشقات أشعة إكس زخما ، لذلك فإن أفضل طرق تصنيع نبضات أشعة إكس (الأتوثانية) هي ضغط الإلكترونات في حزم صغيرة جدا مع سطوع عالي الذروة.  وهذا ما تقوم به طريقة XLEAP.

وقالت ليندا يونغ ، خبيرة علم الأشعة السينية في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة: “تعتبر طريقة XLEAP تقدما كبيرا حقًا. تعد نبضات أشعة إكس الموضعية ذات الكثافة والمرونة غير المسبوقة أداة رائعة لمراقبة حركة الإلكترون في المواقع الذرية الفردية في الأنظمة المعقدة”.

كيفية صنع نبضات أشعة الليزر السينية

أدخل الفريق مجموعتين من المغناطيس أمام مموج ليسمح للباحثين التحكم بتحديد شكل كل مجموعة بالشكل المطلوب: حزم ضيقة مكثفة تحتوي على الإلكترونات مدعومة بمجموعة واسعة من الطاقات.

عندما نرسل هذه الحزم  من الإلكترونات ، التي يبلغ طول نبضها نحو الفمتوثانية ، من خلال المموج ، فإنها تنتج نبضات بالأشعة السينية أقصر بكثير من الفمتوثانية ، كما قال جوزيف دورس ، أحد أعضاء الفريق العلمي. وأضاف: إن هذه النبضات قوية للغاية.

لقياس نبضات الأشعة السينية القصيرة  ، صمم العلماء جهازًا خاصًا تطلق فيه الأشعة السينية غازا وتخرج بعض إلكتروناتها ، مما يخلق سحابة إلكترونية. يتفاعل ضوء أشعة الليزر مع السحابة ويطرد بعض الإلكترونات. وبسبب الاستقطاب المحدد للضوء ، تنتهي بعض الإلكترونات في التحرك بشكل أسرع من غيرها.

وقال سيكي لي ، أحد أعضاء الفريق العلمي من جامعة ستانفورد: “تعمل هذه التقنية بشكل يسمح لنا بقياس سرعات الإلكترون واتجاهاته ، ومن ثم يمكننا حساب طول نبضة الأشعة السينية”.

سيعمل فريق XLEAP أيضا على تحسين أسلوبهم ، مما قد يؤدي إلى نبضات أقصر وأكثر كثافة. إنهم يستعدون لزيادة سرعة نبضات أشعة إكس لتصل إلى سرعات عالية جدا ، ربما أسرع بـ 8000 مرة من ذي قبل. سيسمح هذا للباحثين بإجراء تجارب طالما حلموا بها ، مثل دراسة سلوك الجزيئات الفردية على أسرع فترات زمنية في الطبيعة.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:
SLAC scientists invent a way to see attosecond electron motions with an X-ray laser
https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-12-02-slac-scientists-invent-way-see-attosecond-electron-motions-x-ray-laser.aspx

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *