راز جهش ۲۰ برابری لیزر‌ها فاش شد؛ قدرت بیشتر بدون مصرف انرژی بیشتر

پژوهشگران چینی موفق شده‌اند روشی نوین برای افزایش چشمگیر قدرت برهم‌کنش لیزر با ماده بدون نیاز به افزایش توان کلی لیزر ارائه کنند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر توسعه سامانه‌های نوری فوق‌سریع، ایمن‌تر و دقیق‌تر را هموار کند.

به گزارش interestingengineering، گروهی از فیزیکدانان به سرپرستی جیان وو از East China Normal University در پژوهشی که در مجله علمی Nature منتشر شده است از نوعی نور کوانتومی موسوم به خلا فشرده روشن (Bright Squeezed Vacuum) استفاده کردند و توانستند شدت یک فرایند کلیدی اپتیکی غیرخطی را بیش از ۲۰ برابر نسبت به یک پالس لیزری معمولی با همان انرژی متوسط افزایش دهند.

این دستاورد یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های فیزیک لیزر مدرن را هدف قرار داده است. در حال حاضر بسیاری از پدیده‌های پیشرفته اپتیکی بر پایه برهم‌کنش‌های غیرخطی عمل می‌کنند؛ فرایند‌هایی که در آن چندین فوتون تقریبا به‌طور هم‌زمان با ماده تعامل می‌کنند. چنین برهم‌کنش‌هایی در حوزه‌هایی مانند فیزیک آتوثانیه‌ای، تولید هارمونیک‌های مرتبه بالا، تصویربرداری فوق‌سریع و مطالعه رفتار الکترون‌ها در مقیاس‌های زمانی بسیار کوتاه کاربرد دارند.

افزایش ۲۰ برابری اثرگذاری بدون افزایش توان لیزر

یکی از چالش‌های اصلی در استفاده از اثرات غیرخطی این است که معمولا برای وقوع آنها به پالس‌های لیزری با شدت بسیار بالا نیاز است. این شدت زیاد می‌تواند به نمونه‌های مورد مطالعه، تجهیزات اپتیکی یا مواد حساس آسیب برساند.

محققان چینی به جای افزایش توان لیزر، ویژگی آماری نور را تغییر دادند. برخلاف نور لیزری معمولی که فوتون‌ها در آن با نرخ نسبتا یکنواختی به سطح هدف می‌رسند در نور خلا فشرده روشن نوسانات بسیار شدیدی در چگالی فوتون‌ها ایجاد می‌شود. این نوسانات باعث شکل‌گیری انفجار‌های کوتاه‌مدت، اما بسیار پرشدت از انرژی می‌شوند؛ در حالی که انرژی متوسط کل پرتو همچنان پایین باقی می‌ماند.

به گفته پژوهشگران همین ویژگی نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش قدرت برهم‌کنش نور با ماده ایفا کرده است.

آزمایش روی اتم‌های سدیم

برای ارزیابی این روش تیم تحقیقاتی از منبع نور کوانتومی خود برای ایجاد پدیده یونش تونلی در اتم‌های سدیم استفاده کرد. در این فرایند میدان الکترومغناطیسی بسیار قوی سد پتانسیل اطراف اتم را به اندازه‌ای تغییر می‌دهد که الکترون بتواند از طریق پدیده تونل‌زنی کوانتومی از اتم خارج شود.

نتایج نشان داد یک پالس نور کوانتومی با انرژی متوسط تنها ۳۰۰ نانوژول توانسته همان اثر یونش غیرخطی را ایجاد کند که در شرایط معمول به پالس لیزری با بیش از ۲۰ برابر شدت مؤثر نیاز دارد.

نکته مهم این است که این افزایش چشمگیر بدون بالا بردن توان متوسط لیزر حاصل شده و در نتیجه خطر آسیب‌های حرارتی یا ساختاری به نمونه‌ها و تجهیزات به میزان قابل توجهی کاهش یافته است.

کنترل برهم‌کنش‌ها از طریق ویژگی‌های کوانتومی نور

پژوهشگران همچنین نشان دادند که می‌توان شدت برهم‌کنش نور و ماده را با تغییر ویژگی‌های آماری و کوانتومی نور تنظیم کرد؛ بدون آنکه انرژی پالس افزایش یابد.

در روش‌های سنتی دستیابی به اثرات غیرخطی قوی‌تر مستلزم استفاده از لیزر‌های قدرتمندتر است، اما این مطالعه نشان می‌دهد مهندسی دقیق نوسانات کوانتومی می‌تواند نتایجی مشابه را با مصرف انرژی بسیار کمتر فراهم کند.

کاربرد‌های مهم در علم آتوثانیه

این فناوری می‌تواند برای علم آتوثانیه اهمیت ویژه‌ای داشته باشد. پژوهشگران این حوزه تلاش می‌کنند حرکت و رفتار الکترون‌ها را در بازه‌های زمانی فوق‌العاده کوتاه در حد آتوثانیه (یک میلیاردیمِ یک میلیاردیم ثانیه) مشاهده و بررسی کنند.

چنین آزمایش‌هایی معمولا به شدت‌های لیزری بسیار بالا نیاز دارند و اغلب تجهیزات و مواد مورد استفاده را تا آستانه آسیب‌دیدگی پیش می‌برند. استفاده از حالت‌های نوری مهندسی‌شده کوانتومی به جای افزایش صرف توان لیزر می‌تواند کنترل دقیق‌تر بر فرآیند‌های فوق‌سریع را امکان‌پذیر کرده و آسیب‌های جانبی را کاهش دهد.

نوسانات کوانتومی؛ از عامل مزاحم تا ابزار کاربردی

این مطالعه همچنین نشان‌دهنده روندی رو به رشد در حوزه اپتیک و مهندسی کوانتومی است. در گذشته نوسانات کوانتومی عمدتا به‌عنوان نوعی نویز ناخواسته در نظر گرفته می‌شدند که باید حذف یا کاهش می‌یافتند اما اکنون دانشمندان به دنبال بهره‌گیری از همین نوسانات به‌عنوان ابزاری کاربردی برای کنترل و تقویت فرایند‌های فیزیکی هستند.

اگرچه این فناوری هنوز در مراحل آزمایشگاهی قرار دارد، نتایج پژوهش جدید نشان می‌دهد در نسل آینده فناوری‌های نوری فوق‌سریع، ویژگی‌های آماری و کوانتومی نور ممکن است به اندازه توان خام لیزر در تعیین عملکرد سامانه‌ها اهمیت پیدا کنند.