علم همه چیز را ساده کرده‌است: علم فوق سریع چیست؟

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۹ می، ۲۰۲۲
لینک منبع: Science Made Simple: What is Ultrafast Science?

علم فوق سریع مطالعه فرآیندها در اتم‌ها، مولکول‌ها یا مواد در مقیاس فمتوثانیه یا سریع‌تر است. یک فمتوثانیه یک میلیونیم بیلیونیم ثانیه یا ۱۰ تا ۱۵ ثانیه است.

علوم فوق سریع مطالعه فرآیندها در اتم‌ها، مولکول‌ها یا موادی است که در میلیونیم یک بیلیونیم ثانیه یا سریع‌تر رخ می‌دهند. این مقیاس زمانی فمتوثانیه نامیده می‌شود که معادل ۱۵-۱۰ ثانیه است. با علم فوق سریع، محققان از پالس‌های کوتاه فوتون‌ها، الکترون‌ها و یون‌ها برای کاوش ماده استفاده می‌کنند. پالس‌های اشعه ایکس فمتوثانیه می‌توانند تصاویر استاپ‌موشن از چگونگی حرکت اتم‌ها در طول تبدیلات مولکولی یا چگونگی ارتعاش آن‌ها بر روی سطوح لایه نازک ایجاد کنند. این مقیاس زمانی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا جزئیات فرآیندهای اساسی برای تغییر زندگی در طول زمان را بررسی کنند. به‌عنوان مثال، آن‌ها می‌توانند مطالعه کنند که چگونه پیوندهای شیمیایی شکسته و تشکیل می‌شوند و چگونه الکترون‌های برانگیخته، چشم‌انداز انرژی دگرگونی مواد را تغییر شکل می‌دهند.

ابزارهای جدیدتر می‌توانند پالس‌هایی با مدت زمان صدها آتوثانیه (۱۰-۱۸ ثانیه) تولید کنند. این پالس‌های سریع‌تر، دانشمندان را قادر می‌سازد تا حرکت الکترون‌ها را زمانی‌که در واکنش‌های شیمیایی تحریک می‌شوند، ردیابی کنند.

دانشمندان برای اولین بار تغییرات ساختاری فوق سریع را دنبال کردند چون مولکول‌های گازی حلقه شکل پس از جدا شدن توسط نور، از هم باز شدند. این اندازه‌گیری‌ها به ترتیب به‌عنوان مبنایی برای انیمیشن‌های کامپیوتری که حرکت مولکولی را نشان می‌دهند، گردآوری شده‌اند.

آزمایش‌ها علوم فوق سریع درک ما را از چگونگی حرکت و تغییر ساختارهای اتمی، الکترونیکی و مغناطیسی در مقیاس‌های زمانی بنیادی افزایش می‌دهد. آن‌ها همچنین به ما کمک می‌کنند که این نتایج را به مواد و خواص شیمیایی پیوند دهیم. دانشمندان با مطالعه این پدیده‌ها دیدگاه‌های جدیدی در مورد چگونگی طراحی مواد با خواص جدید و فرآیندهای شیمیایی کارآمدتر به دست می‌آورند.

واقعیات علم فوق سریع

توسعه لیزرهای الکترون بدون اشعه ایکس یک پیشرفت برای علم فوق سریع است. احمد زیویل در سال ۱۹۹۹ جایزه نوبل شیمی را به خاطر اختراع «فمتوشیمیایی» دریافت کرد. در یک فمتوثانیه، نور فقط ۳۰۰ نانومتر حرکت می‌کند، فاصله‌ای که با اندازه ویروس قابل‌مقایسه است. یک فمتوثانیه ۱ ثانیه است چون ۱ ثانیه برابر با ۳۰ میلیون سال است.

تا به امروز، کوتاه‌ترین پالس‌های لیزر اشعه ایکس که توسط LCLS ارسال شده، در ۵ فمتوثانیه آخر تحویل داده شده‌اند، تقریبا در همان زمانی که یک مولکول برای از دست دادن یک الکترون طول می‌کشد.

اکثر آزمایش‌های فوق سریع شامل قابلیت پالس زمان محدود لیزرهای نوری می‌باشند. سپس این پالس‌های لیزر می‌توانند به انواع دیگر پالس‌ها تبدیل شوند. نتیجه این است که محققان می‌توانند برای انتخاب پالس‌ها از یک انتخاب انرژی تابش الکترومغناطیسی (شامل اشعه ایکس) و ذراتی مانند الکترون‌ها، آزمایش‌هایی را انجام دهند.

رایج‌ترین شکل آزمایش فوق سریع شامل یک پالس «پمپ» برای تحریک ماده مورد بررسی، و پس از یک تاخیر زمانی فوق کوتاه انتخابی، یک پالس «پروب» برای اندازه‌گیری یک ویژگی در نمونه است. دانشمندان تاخیر زمانی را تغییر می‌دهند و تاریخچه زمانی حالت برانگیخته را با بازگشت سیستم به حالت تعادل اندازه‌گیری می‌کنند. پمپ و پروب می‌توانند بسته به نوع تحریک مورد نظر و نوع ویژگی اندازه‌گیری شده، انواع مختلفی از پالس‌ها باشند.

دفتر علوم DOE: مشارکت در علوم فوق سریع

دفتر علوم DOE، دفتر علوم انرژی پایه (BES) در تحقیقات بنیادی و تسهیلات کاربر برای علوم فوق سریع سرمایه‌گذاری می‌کند. این تحقیق شامل بررسی‌های اساسی در مورد تغییرات در ساختار الکترونیکی مواد و جریان انرژی در مواد جدید و سیستم‌های شیمیایی است. منبع نور کوهرنت لیناک (LCLS) در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC یکی از تاسیسات اصلی برای تحقیقات علوم فوق سریع است. منبع نور کوهرنت لیناک (LCLS) اولین لیزر سخت الکترون آزاد اشعه ایکس در جهان بود. و از فلاش‌های قدرتمند اشعه ایکس استفاده می‌کند -هر کدام به کوتاهی ۵ فمتوثانیه و یک میلیارد بار روشن‌تر از آن‌هایی که قبلا در دسترس بودند- تا عکس‌های فوری اتمی بگیرد. وقتی SLAC کار LCLS-II ارتقا یافته را تکمیل کند، LCLS حتی قدرتمندتر خواهد بود. محققان این‌ها را با هم ترکیب می‌کنند تا فیلم‌هایی از فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی بسازند. توجه به این حرکات بنیادی و فوق سریع می‌تواند به حل برخی از اسرار جهان طبیعی و حمایت از توسعه مواد نوآورانه، راه‌حل‌های انرژی، داروها و غیره کمک کند.

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.