قياس الزمن بدون ساعة

٨ فبراير ٢٠١٧

ترجمه ابو طه/ عدنان احمد الحاجي

Measuring time without a clock

08.02.17 

المقالة رقم ٦٨ لسنة ٢٠١٧

استطاع  علماء من معهد الاتحاد السويسري للتكنولوجيا في لوزان  EPFL  من قياس فترة التأخر الزمنية الفائقة في  القصر في الانبعاث الضوئي  للإلكترونات من دون استخدام   الساعة. الاكتشاف الذي سيكون له آثار هامة للبحوث الأساسية والتكنولوجيا المتطورة.

عندما يسلط الضوء على بعض المواد، فإنه يحثها على ان  تبعث إلكترونات. وهذا ما يسمى ب"الانبعاث الضوئي" والذي اكتشفه  ألبرت أينشتاين في عام ١٩٠٥، وبسببه فاز  بجائزة نوبل. ولكن فقط في السنوات القليلة الماضية  ومع التقدم في تكنولوجيا الليزر، استطاع  العلماء  من  الاقتراب  من المقياس  الزمني فائق القصر للإنبعاث  الضوئي. وقد استطاع  الباحثون في EPFL الآن من تحديد  فترة تأخير تبلغ واحد من مليار من واحد من المليار من الثانية في الانبعاث  الضوئي عن طريق قياس دوران الإلكترونات المنبعثة ضوئياً photoemitted من دون الحاجة إلى نبضات الليزر فائقة القصر . تم نشر هذا الاكتشاف في  مجلة Physical Review Letters.

الانبعاث الضوئي

وقد ثبت ان الانبعاث الضوئي انه ظاهرة مهمة، مشكلاً منصة لتقنيات التحليل الطيفي المتطورة التي تسمح للعلماء بدراسة خصائص الإلكترونات في المواد الصلبة. واحدة من هذه الخاصية هي  الدوران حول المحور السريع ( الدوران المحوري) ، وهي خاصية  كوانتية جوهرية للجسيمات التي تجعلها تبدو وكأنها كما لو كانت تدور حول محورها.  الدرجة التي يكون فيها  المحور متراصفاً نحو اتجاه معين يشار اليه  باستقطاب الدوران المحوري ، وهو ما يعطي بعض المواد، كالحديد،  الخواص المغناطيسية.

وعلى الرغم من  ان هناك تقدماً كبيراً في استخدام الانبعاث الضوئي  واستقطاب الدوران المحوري للإلكترونات المنبعثة ضوئيا، فإن المقياس  الزمني الذي تجري فيه هذه العملية برمتها لم تستكشف حتى الان ، والافتراض السائد هو أنه، حين يسقط الضوء على  المادة، تثار الإلكترونات  على الفور  وتنبعث . ولكن الدراسات الحديثة باستخدام تقنية الليزر المتقدمة تحدت هذا، وتبين أن هناك فعلا تأخيراً في الوقت على مقياس  الأتوثانية ( = 1x10 اس ( -١٨) من الثانية ) 

وقت بلا ساعة

مختبر هوغو ديل في EPFL، و زملاؤه في ألمانيا، أظهر أنه خلال الانبعاث  الضوئي، استقطاب الدوران المحوري  للإلكترونات المنبعثة يمكن أن يكون ذا صلة بفترات التأخر الأتوثانية من الانبعاث الضوئي

الأهم من ذلك، فقد أظهروا قدرتهم على ذلك دون الحاجة إلى أي دقة  زمن تجريبي أو قياس للوقت -  أساساً،  بدون الحاجة إلى وجود ساعة. للقيام بذلك، استخدم العلماء نوعاً من الانبعاث الضوئي الطيفي (SARPES) لقياس الدوران المحوري للإلكترونات  المنبعثة ضوئياً من كريستالة  النحاس.

"بالليزر يمكنك قياس مباشر لفترة التأخير (الزمني) بين عمليات مختلفة، ولكن من الصعب تحديد متى تبدأ العملية - ساعة الصفر"، يقول ماورو  فانسولي Fanciulli،  طالب الدكتوراه من مجموعة ديل والمؤلف الأول  للورقة. واضاف "لكن في تجربتنا نقيس الوقت بشكل غير مباشر، لذلك لم توجد لدينا هذه المشكلة -  وتمكنا من الوصول إلى واحدة من أقصر الفترات الزمنية التي قيست على الإطلاق  . الطريقتان [الدوران المحوري  والليزر]، متكاملتان، ومعا يمكن أن يسفرا عن عالم جديد كليا من المعلومات ".

المعلومات عن المقاس الزمني للإنبعاث الضوئي متضمن في دالة الموجة  للإلكترونات المنبعثة. هذا هو الوصف الكمي لاحتمال  وجود أي الكترون معين يمكن العثور عليه في أي وقت من الأوقات. باستخدام SAPRES، تمكنوا من قياس الدوران المحوري للإلكترونات الذي سمح بدوره لهم للوصول إلى خصائص دالة الموجة .