كيف نجح ليزر Gemini في توليد ضوء الليزر الأعلى كثافة في تاريخ المختبرات

نجح فريق دولي من علماء الفيزياء في توليد ضوء الليزر الأعلى كثافة على الإطلاق داخل المختبر، مما يغير جذرياً طريقة دراسة العلماء للتفاعل بين الضوء والمادة. ومن خلال استخدام ليزر Gemini لضغط الضوء عبر سحب من الجسيمات المشحونة المعروفة باسم البلازما، تمكن باحثون من جامعة أكسفورد وجامعة كوينز بلفاست وشركاء عالميون من إيجاد مسار عملي لاستكشاف الديناميكا الكهربائية الكمية (QED). وبالنسبة للباحثين في مجال الفيزياء ومهندسي الكم، يلغي هذا الإنجاز الحاجة إلى التصادمات الفوضوية لحزم الجسيمات، مما يوفر طريقة مبسطة لاختبار القوانين الأساسية للكون.

ويعتمد هذا الاكتشاف، الذي نُشر في مجلة Nature في 22 أبريل، على تقنيتين متطورتين: التوليد التوافقي النسبي والتركيز التوافقي المتماسك. وقد استند المشروع إلى عمل الدكتوراه الخاص بالدكتورة روبن تيميس، والذي حظي بدعم من مركز أكسفورد لعلوم الكثافة العالية للطاقة ومنحة أكسفورد-بيرمان للفيزياء.

لتحقيق هذا التركيز غير المسبوق للطاقة، أطلق فريق البحث نبضات مكثفة من ليزر Gemini نحو مرآة بلازما تتحرك بسرعات نسبية. ونظراً لأن مرآة البلازما هذه تتحرك باتجاه مصدر الضوء، فإن الضوء المنعكس ينضغط بشكل كبير وتزداد طاقته إلى مستويات أعلى بكثير. ويعمل هذا بمبدأ مشابه لتأثير دوبلر، حيث تنضغط الموجات عندما يقترب المصدر من المراقب.

وتعمل هذه العملية، المعروفة باسم التوليد التوافقي النسبي، على احتجاز موجات الضوء وتضخيمها بفعالية. ومن خلال استخدام سحب من الجسيمات المشحونة لمعالجة الضوء، تمكن الفريق من تجاوز حدود ما كان يُعتقد سابقاً أنه ممكن في بيئة مختبرية خاضعة للرقابة.

بعد عملية الضغط الأولية، قام الفريق بتركيز موجات الضوء المضخمة باستخدام تقنية التركيز التوافقي المتماسك (CHF). وكما تقوم العدسة المكبرة التقليدية بتركيز ضوء الشمس لحرق قطعة من الورق، تعمل هذه التقنية المتقدمة على تركيز أطوال موجية متعددة من الضوء عالي الطاقة في نقطة مجهرية واحدة. ويعمل هذا بمثابة عدسة مكبرة كمية، مما يخلق تركيزاً غير مسبوق للطاقة.

ووفقاً للدكتورة روبن تيميس، الباحثة الرئيسية من قسم الفيزياء في جامعة أكسفورد، فإن الاكتشافات التي تم التوصل إليها حتى الآن مذهلة. وأشارت إلى أن عمليات المحاكاة تشير إلى أن هذه الآلية أنتجت مصدر الضوء المتماسك الأعلى كثافة على الإطلاق، مما يمثل مجرد البداية لفهم الفيزياء المعقدة وراء هذه الآلية.

لعقود من الزمن، كان استكشاف القوانين العميقة للديناميكا الكهربائية الكمية يتطلب صدم حزم الجسيمات بأشعة الليزر. وقد شبه الباحثون هذه العملية القديمة بمحاولة تحليل حادث سير من خلال مشاهدة لقطات من عشر كاميرات متحركة مختلفة. وتدمج هذه الطريقة الجديدة التفاعل بأكمله داخل نظام الليزر نفسه، مما يسمح بالمراقبة المباشرة دون الحاجة إلى تحويلات رياضية معقدة.

وقد شمل المشروع، الذي امتد بين عامي 2024 و2025، خبراء في فيزياء الحقول العالية من شركة AWE plc البريطانية، وجامعة ميشيغان، وجامعة جينا الألمانية. وأشار البروفيسور بريندان درومي من جامعة كوينز بلفاست إلى أن هذا المزيج من تكنولوجيا الليزر وفيزياء البلازما وعلوم المواد فائقة السرعة يحل التباين المستمر بين النظرية والتجربة والذي أحبط هذا المجال لأكثر من عقدين.

يمثل العرض الناجح لضوء الليزر عالي الكثافة نقطة تحول حاسمة في الفيزياء التجريبية. ومن خلال الابتعاد عن التصادمات الفوضوية لحزم الجسيمات ودمج التفاعل مباشرة في نظام الليزر، نجح الباحثون في خفض حاجز الدخول لإجراء التجارب الكمية القاسية بشكل كبير. ومن المرجح أن يؤدي هذا النهج المبسط إلى تسريع الاكتشافات في علوم المواد فائقة السرعة وفيزياء البلازما خلال العقد المقبل.

ومع تبني المختبرات في جميع أنحاء العالم لتقنية التركيز التوافقي المتماسك، فإن القدرة على إجبار الضوء على الاصطدام المباشر بالفراغ الكمي قد تكشف أخيراً عن آليات الكون. إن اختبار قوانين الفيزياء في ظل ظروف كان يُعتقد سابقاً أنه من المستحيل تكرارها في المختبر لم يعد حلماً نظرياً، بل أصبح حقيقة عملية.