یک آتوثانیه چقدر طول می‌کشد؟/ چند ثانیه از عمر جهان گذشته است؟

مدت زمانی که شما برای خواندن این جمله صرف کردید، معادل یک میلیارد میلیارد آتوثانیه است. حالا چرا چنین بازه زمانی کوچکی برای برندگان جایزه نوبل فیزیک امسال تا این حد اهمیت داشت؟

به گزارش خبرآنلاین، یک گروه متشکل از سه محقق جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۳ را بخاطر تلاش هایی که منجر به تحول عظیمی در مورد نحوه مطالعه دانشمندان بر روی الکترون ها شد، دریافت کردند. آنها با روشن کردن مولکول ها با فلاش های نور در زمان آتوثانیه این کار را انجام دادند. اما آتوثانیه چقدر طول می کشد و این پالس های بی نهایت کوتاه، چه چیزی را در مورد ماهیت ماده به محققان می گوید؟

من اولین بار به عنوان یک دانشجوی کارشناسی ارشد در رشته شیمی فیزیک با این حوزه تحقیقاتی آشنا شدم. گروه مشاور دکترای من در پروژه ای به مطالعه برروی واکنش های شیمیایی با پالس های آتوثانیه می پرداخت. قبل از درک این موضوع که چرا تحقیقات آتوثانیه به معتبرترین جایزه فیزیک منجر شد، باید به درک این موضوع بپردازیم که پالس نور آتوثانیه چیست؟

یک آتوثانیه چقدر طول می کشد؟

"آتو" یک پیشوند نماد علمی است که نشان دهنده ۱۰ به توان ۱۸- است. یعنی یک عدد اعشاری با هفده صفر و سپس عدد یک. یک فلش نور که یک آتوثانیه (۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱) طول میکشد، یک پالس بسیار کوتاه از نور است. در حقیقت تقریبا تعداد آتوثانیه های موجود در یک ثانیه، به اندازه تعداد ثانیه هایی است که از عمر جهان هستی می گذرد.

پیش از این دانشمندان می توانستند حرکت هسته های اتمی سنگین تر و آهسته تر را با پالس های نوری فمتوثانیه (۱۰ به توان ۱۵- پالس نوری) مطالعه کنند. هزار آتوثانیه معادل یک فمتوثانیه است. اما محققان تا قبل از زمانی که پالس های نوری آتوثانیه ای را تولید کردند، نمی توانستند حرکات در مقیاس الکترونی را ببینند. (سرعت حرکت الکترون ها تا حدی بالاست که دانشمندان نمی توانند دقیقا آنچه که در سطح فمتوثانیه انجام می‌دهند را تجریه کنند)

پالس های آتوثانیه چه می کند؟

بازآرایی و چینش مجدد الکترون ها در اتم ها و مولکول ها فرآیندهای زيادي را در علم فیزیک هدایت می کند و عملا زیربنای تک تک بخش های علم شیمی است؛ در نتیجه دانشمندان تلاش زیادی را به کار گرفتند تا چگونگی حرکت و بازآرایی مجدد الکترون ها را دریابند.

الکترون ها در فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی با سرعت بالایی به اطراف حرکت می کنند و همین کار مطالعه درباره آنها را سخت کرده است. برای بررسی این فرآیندها، دانشمندان از طیف سنجی استفاده می کنند که روشی برای بررسی چگونگی جذب یا انتشار نور ماده است. آنها برای تعقیب الکترون ها در زمان واقعی، به یک پالس نور نیاز داشتند که کوتاه تر از زمان لازم برای بازآرایی مجدد الکترون ها باشد.

به عنوان یک قیاس، دوربینی را تصور کنید که فقط می تواند نوردهی طولانی، در حدود ۱ ثانیه داشته باشد. اشیای درحال حرکت، مثل انسانی که به سمت دوربین می دود یا یک پرنده در حال پرواز در آسمان، ممکن است در عکس ها تار بنظر برسند و این کار را برای تشخیص اینکه چه در حال رخ دادن است سخت خواهد کرد.

حالا تصور کنید که از دوربینی با نوردهی ۱ میلی ثانیه استفاده می کنید. حالا حرکاتی که در مثال قبل درموردشان صحبت کردیم، به خوبی در عکس ها ، به شکلی دقیق و واضح ظاهر می شوند. مقیاس آتوثانیه هم در مقایسه با مقیاس فمتوثانیه به همین ترتیب عمل کرده و به خوبی می تواند رفتار الکترون ها را به نمایش بگذارد.

تحقیقات درباره آتوثانیه

پالس های آتوثانیه در پاسخ به چه نوع سوالاتی به ما کمک خواهند کرد؟

مثلا شکستن یک پیوند شیمیایی، فرآیندی اساسی در طبیعت به شمار میرود که در جریان آن الکترون هایی که بین دو اتم مشترک هستند، به صورت اتم های غیرپیوندی جدا می شوند. الکترون هایی که قبلا به اشتراک گذاشته شده بودند، در طول این فرآیند دستخوش تغییرات فوق سریعی شده و پالس های آتوثانیه این امکان را برای محققان فراهم خواهد کرد که شکستن یک پیوند شیمیایی را در زمان واقعی دنبال کنند.

توانایی ایجاد پالس های آتوثانیه (دقیقا همین پژوهشی که سه دانشمند برای آن جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۳ را مال خود کردند) برای نخستین بار در اوایل دهه ۲۰۰۰ محقق شد و از آن زمان به بعد، پیشرفت های چشمگیری در این زمینه حاصل شده. طیف سنجی آتوثانیه ای با ارائه عکس هایی در بازه های زمانی کوتاه تر از اتم ها و مولکول ها، به محققان در مسیر درک رفتار الکترون ها در مولکول های منفرد (از جمله نحوه مهاجرت بار الکترون و همچنین شکستن پیوندهای شیمیایی بین اتم ها) کمک زیادی کرده است.

در مقیاس بزرگتر، فناوری آتوثانیه در راستای مطالعه نحوه رفتار الکترون ها در آب و انتقال الکترون ها در مواد نیمه هادی جامد مورد استفاده قرار گرفته است. در حالیکه محققان در حال بهبود توانایی هایشان در تولید پالس های نوری آتوثانیه هستند، درک عمیق تری نیز از ذرات اساسی تشکیل دهنده ماده به دست خواهند آورد.