اتوثانیه چیست و چرا جایزه‌ نوبل فیزیک به این واحد زمانی ربط داشت؟

گروهی از پژوهشگران به‌پاس ایجاد تحول در چگونگی بررسی و پژوهش الکترون‌ها، برنده‌ی جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ شدند. آنان جرقه‌های نور را در بازه‌های زمانی اتوثانیه‌ای به مولکول‌ها تاباندند؛ اما یک اتوثانیه چقدر است و این پالس‌های کوتاه بی‌اندازه خُرد درباره‌ی ماهیت ماده چه می‌گویند؟

«اتو» پیشوند نمادی علمی است که 10^-18 یا یک ممیز اعشاری و به‌دنبال آن ۱۷ صفر و عدد یک را نشان می‌دهد. بنابراین، جرقه‌ای از نور که یک اتوثانیه یا ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ ثانیه دوام می‌آورد، نوسانی بسیار بسیار کوتاه از نور است. درواقع، تعداد اتوثانیه‌های موجود در یک ثانیه تقریباً به‌اندازه‌ی ثانیه‌های کل عمر جهان است.

در گذشته، دانشمندان حرکت هسته‌های اتمی سنگین‌تر و کُندتر را با پالس‌های نوری فمتوثانیه بررسی می‌کردند. هزار اتوثانیه برابر است با یک فمتوثانیه؛ اما پژوهشگران در این واحد هم نمی‌توانستند حرکت‌های مقیاس الکترونی را ببینند تا اینکه بالاخره پالس‌های نوری اتوثانیه‌ای را به‌کار گرفتند.

بازآرایی الکترون‌های داخل اتم‌ها و مولکول‌ها، فرایندهای زیادی را در فیزیک هدایت می‌کند و عملاً زیربنای هر بخش از شیمی است. بنابراین، پژوهشگران تلاش زیادی برای کشف چگونگی محاسبه‌ی حرکت الکترون‌ها و بازآرایی آن‌ها انجام داده‌اند.

بااین‌حال، الکترون‌ها معمولاً در فرایندهای شیمیایی و فیزیکی با سرعت زیادی حرکت می‌کنند و همین ویژگی مطالعه‌ی آن‌ها را دشوار می‌سازد. دانشمندان برای بررسی این فرایندها از طیف‌سنجی استفاده می‌کنند که روشی برای بررسی چگونگی جذب یا انتشار نور به‌واسطه‌ی ماده است. آنان برای دنبال‌کردن الکترون‌ها به‌صورت آنی به پالسی از نور نیاز دارند که کوتاه‌تر از زمان لازم برای بازآرایی الکترون‌ها باشد.

برای درک بهتر، دوربینی را تصور کنید که تنها می‌تواند نوردهی‌های طولانی‌تر مثل یک ثانیه را ثبت کند. اشیای متحرک مثل شخصی که در حال دویدن به‌سمت دوربین است یا پرنده‌ای که در آسمان پرواز می‌کند، در این تصاویر تار به‌نظر می‌رسند و دیدن اینکه دقیقاً چه اتفاقی رخ می‌دهد، دشوار است.

حالا فرض کنید از دوربینی با نوردهی ۱ میلی‌ثانیه‌ای استفاده کنید. در این شرایط، حرکت‌هایی که قبلاً تار شده‌اند، با وضوح و دقت زیادی دیده می‌شوند. استفاده از مقیاس اتوثانیه به‌جای فمتوثانیه هم به همین ترتیب می‌تواند رفتار الکترون را منعکس کند.

این پرسش به‌وجود می‌آید که پالس‌های اتوثانیه‌ای چه کمکی به پژوهش‌ها می‌کنند؟ در درجه‌ی اول، شکستن پیوندهای شیمیایی فرایندی بنیادی در طبیعت است که در آن، الکترون‌های مشترک بین دو اتم به اتم‌های غیرمتصل تبدیل می‌شوند. الکترون‌هایی که قبلاً مشترک بودند، در این فرایند دستخوش تغییراتی بسیار سریع می‌شوند و پالس‌های اتوثانیه‌ای به پژوهشگران اجازه می‌دهند که شکست آنی پیوندهای شیمیایی را دنبال کنند.

توانایی تولید پالس‌های اتوثانیه‌ای که پژوهشگران به‌پاس آن برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۲۳ شدند، برای اولین‌بار در اوایل دهه‌ی ۲۰۰۰ امکان‌پذیر شد و از آن زمان این رشته به‌سرعت به رشد خود ادامه داده است.

طیف‌سنجی اتوثانیه‌ای با ارائه‌ی تصاویر فوری از اتم‌ها و مولکول‌ها به پژوهشگران در درک رفتار الکترون موجود در مولکول‌های منفرد مثل چگونگی انتقال بار الکترون و نحوه‌ی شکستن پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها کمک کرده است.

فناوری اتوثانیه در مقیاس بزرگ‌تر برای بررسی رفتار الکترون‌ها در آب مایع و انتقال الکترون در نیمه‌رساناهای حالت جامد به‌کار می‌رود. با بهبود توانایی پژوهشگران برای تولید پالس‌های نوری اتوثانیه‌ای می‌توان به درک عمیق‌تری از ذرات بنیادین تشکیل‌دهنده‌ی ماده رسید.