کشف راهی برای ردیابی و کنترل الکترون آزاد به‌صورت عملی

.برای اولین بار در تاریخ گروهی از دانشمندان بین‌المللی موفق شدند عملا مسیر الکترون‌هایی را که از اتم خارج می‌شوند، مشاهده و کنترل کنند. این دانشمندان برای کنترل فرایند خروج الکترون از اتم و تبدیل آن به الکترون آزاد که تنها چند اَتوثانیه (یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه) طول می‌کشد از تأسیسات لیزر الکترون آزاد فرمی (FERMI) واقع در ایتالیا استفاده کردند.

توانایی کنترل و نظارت خروج الکترون‌ها از اتم، یک دستاورد خیره‌کننده است که به کمک آن می‌توان جزئیات دقیق تبادل الکترون بین عناصر مختلف در ترکیبات شیمیایی و فرآیندی را که به تغییر خواص این ترکیب‌ها منجر می‌شود به‌دقت مطالعه کرد. مهم‌تر آنکه به لطف این کشف، دانشمندان قادر خواهند بود ماهیت واکنش‌های شیمیایی فوق‌سریع مثل فتوسنتز و احتراق و نحوه‌ی دقیق حرکت الکترون‌ها در این نوع واکنش‌ها را هم‌زمان با انجام واکنش موردمطالعه قرار دهند.

به گفته‌ی کوین پرینس (Kevin Prince)، سرپرست این تیم تحقیقاتی؛ مرحله‌ی بعدی این تحقیقات استفاده از این تکنیک برای مطالعه‌ی فرایندهای پیچیده‌ای است که در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه چند اتوثانیه‌ای انجام می‌شوند، نظیر واکنش‌های شیمیایی کاتالیتیک و اتمسفری.

لیزر الکترون آزاد برخلاف لیزرهای معمولی که پرتوهایی تشکیل‌شده از فوتون هستند، از الکترون‌هایی تشکیل می‌شود که در داخل یک ساختار مغناطیسی با سرعت بالا در حرکت هستند. این نوع لیزر کاملا قابل تنظیم است که به‌این‌ترتیب به محققین اجازه می‌دهد فرکانس آن را به‌ دلخواه تغییر بدهند و آن را به اشکال مختلف از امواج ماکروویو تا پرتوهای گاما و فروسرخ به کار بگیرند.

محققین این پروژه به کمک فناوری لیزر الکترون آزاد ، دو پرتو الکترونیکی با دو طول‌موج متفاوت ایجاد کردند. پرتویی که طول‌موج کمتری داشت به محققین اجازه داد برای مدت‌زمانی بسیار کوتاه (تنها چند اتوثانیه) کنترل الکترون‌ها را در دست بگیرند و جهت حرکت آن‌ها را تغییر بدهند که همین مدت کوتاه کافی بود تا توانایی کنترل حرکت الکترون‌ها از فرضیه به واقعیت تبدیل شود.

پرینس می‌گوید:

 هر سیکل حرکت اتم در مولکول تنها چند فمتوثانیه (یک میلیونم یک میلیاردم ثانیه) طول می‌کشد ولی الکترون‌ها که تعیین‌کننده‌ی خواص شیمیایی عناصر مختلف هستند، هزار برابر سریع‌تر حرکت می‌کنند و برای مطالعه‌ی تغییر و تحولاتی که در حین حرکت آن‌ها صورت می‌گیرد فقط کسری از فمتو ثانیه زمان داریم. این تحقیقات با همکاری محققان موسسه‌ی فناوری سوینبرن (Swinburne) استرالیا و گروهی از دانشمندان ایتالیایی، ژاپنی، روس، آمریکایی و آلمانی انجام شده است.

پرینس می‌افزاید:

مانند بسیاری از فعالیت‌هایی که در جوامع علمی به وقوع پیوسته‌اند، ما نیز چندین دهه به تحقیق و تلاش برای یافتن روش‌های تحلیلی مبتکرانه مؤثر در بازه‌های زمانی چند اتوثانیه‌ای پرداختیم تا بتوانیم حرکتی در این حد غیرقابل‌باور سریع را موردمطالعه قرار بدهیم. با این تلاش‌ها و البته قابلیت‌های بی‌نظیری که لیزر الکترونی فرمی در اختیار ما گذاشت، می‌توانم بگویم که نهایتا به هدف خود رسیده‌ایم.

این دستاورد خیره‌کننده مسیر بسیار هیجان‌انگیزی برای تحقیقات آینده ایجاد می‌کند. دانشمندان با تکیه بر ردگیری و کنترل الکترون‌هایی که با سرعت چند اتوثانیه حرکت می‌کنند، قادر خواهند بود در دنیای واقعی به تجزیه‌وتحلیل فرایندهای فوق‌سریع شیمیایی بپردازند و بسیاری از شاخه‌های صرفا تئوری علم شیمی جنبه‌ی عملی پیدا خواهند کرد. با مهیا شدن این امکان، آینده‌ی علم شیمی به‌نوعی غیرقابل‌پیش‌بینی است.