يجري تحويل التقلبات الكمية إلى ميزة بصرية عملية
أفاد باحثون بطريقة تجعل عمليات الليزر فائقة السرعة أكثر كفاءة بكثير باستخدام الضوء الكمي بدلًا من ضوء الليزر العادي. وفي تجارب موصوفة في Nature، استخدم Jian Wu وزملاؤه في جامعة شرق الصين العادية في شنغهاي شكلًا من الضوء يُعرف باسم الفراغ المضغوط الساطع، أو BSV، لإحداث دفعة بمقدار 20 مرة في عملية ليزر لاخطية.
تكتسب هذه النتيجة أهميتها لأن التفاعلات اللاخطية بين الضوء والمادة تقع في قلب كثير من الأدوات البصرية المتقدمة. فهي تتيح تأثيرات لا تحدث عندما تُمتص الفوتونات واحدة تلو الأخرى، بما في ذلك العمليات التي تعتمد على وصول عدة فوتونات في وقت شبه متزامن. هذه التأثيرات مفيدة، لكنها عادة ما تتطلب نبضات ليزر شديدة للغاية. والمشكلة أن رفع الشدة إلى هذا الحد يمكن أن يضر أيضًا بالمادة قيد الدراسة أو يدمرها.
يقدم هذا العمل الجديد طريقة لتجاوز هذا الحد. فبدلًا من زيادة القدرة المتوسطة حتى تنهار العينة، استغل الباحثون الإحصاءات الكمية للضوء نفسه. يتقلب الفراغ المضغوط الساطع بقوة في عدد الفوتونات الواصلة في أي لحظة، ما يخلق دفعات قصيرة يمكنها تحفيز التأثيرات اللاخطية حتى عندما تبقى القدرة المتوسطة متواضعة نسبيًا.
لماذا يغيّر الفراغ المضغوط الساطع المعادلة
حزم الليزر العادية مستقرة نسبيًا. إذ تصل فوتوناتها بمعدل أكثر قابلية للتنبؤ، وهو أمر مفيد للتحكم لكنه أقل فائدة عندما تعتمد العملية على اندفاعات قصيرة وكثيفة من الفوتونات. أما BSV فيتصرف بشكل مختلف. فهو يحتوي على تقلبات شديدة في عدد الفوتونات، وهذه التقلبات تخلق ظروفًا قصيرة الأمد تبدو وكأنها إضاءة أقوى بكثير مما توحي به القدرة المتوسطة.
هذا هو الاختراق المفاهيمي وراء الدراسة. لم يكتف الفريق بتحسين نظام ليزر بالمعنى التقليدي، بل غيّر الطابع الإحصائي لمصدر الضوء. وبذلك، أظهر أن الخصائص البصرية الكمية يمكن أن تصبح أداة هندسية عملية لدفع العمليات اللاخطية بكفاءة أكبر.
لاختبار الفكرة، ركز الباحثون على التأين النفقـي في ذرات الصوديوم. في هذه العملية، يشوه حقل ضوئي شديد البيئة الكهربائية حول الذرة بدرجة تسمح للإلكترون بالهروب. إنها مثال قياسي على تفاعل شديد اللاخطية، ويتطلب عادة حقولًا قوية. وباستخدام BSV، تمكن الفريق من تحفيز التأثير بفعالية أكبر بكثير من الضوء العادي عند القدرة المتوسطة نفسها.
ضرر أقل وإشارة أكثر قابلية للاستخدام
إن التحسن بمقدار 20 مرة مهم ليس فقط لأنه كبير، بل أيضًا لما قد يعنيه عمليًا. فكثير من التقنيات البصرية المتقدمة تواجه السقف نفسه: النبضات الأقوى تنتج استجابة لاخطية أفضل حتى النقطة التي لا يعود فيها بإمكان العينة أو الجهاز أو الوسط تحمل التعرض. وأي طريقة تحافظ على الخرج اللاخطي أو تعززه دون إجبار الشدة المتوسطة على الارتفاع قد توسع نافذة التشغيل لكل من التجارب والتطبيقات.
وقد يكون ذلك مهمًا بشكل خاص في البيئات التي تتضمن مواد هشة. ولا يورد ملخص العمل خريطة تطبيقات كاملة، لكن المبدأ الأساسي جذاب على نطاق واسع. عندما يتمكن الباحثون من الحصول على سلوك لاخطي أقوى مع إضاءة أقل تدميرًا، فإنهم يكتسبون مساحة أكبر لدراسة أنظمة أكثر حساسية وتصميم أدوات بصرية بمقايضات أقل.
كما يدفع هذا العمل مجال البصريات الكمية نحو نوع مختلف من الأهمية. غالبًا ما يُناقش الضوء الكمي في سياق الاستشعار أو الاتصالات الآمنة أو الفيزياء الأساسية. وهنا يُستخدم لتحسين تفاعل بصري مألوف وعملي. وقد يكون هذا التحول في الإطار مهمًا، لأنه يشير إلى أن الحالات الكمية للضوء قد تكون مفيدة ليس فقط في العروض الغريبة، بل أيضًا في فوتونيات معملية وصناعية أفضل أداءً.
من نتيجة فيزيائية إلى تقنية منصة
ومع ذلك، ما زال هناك فرق بين تجربة لافتة ومنصة ناضجة. سيحتاج الباحثون إلى تحديد مدى متانة التأثير عبر مواد وأطوال موجية وعمليات لاخطية أخرى. كما سيتعين عليهم إظهار مدى سهولة دمج الأنظمة القائمة على BSV في إعدادات بصرية حقيقية خارج بيئات البحث المتخصصة.
ومع ذلك، تقدم الدراسة برهانًا واضحًا. فهي تُظهر أن الطبيعة الكمية للضوء يمكن أن تتغلب على قيد كبّل البصريات اللاخطية لسنوات. وبدلًا من قبول ضرر الليزر باعتباره الثمن الحتمي للتأثيرات الأقوى، استخدم الفريق تقلبات عدد الفوتونات لاستخراج أداء أكبر من قدرة متوسطة أقل.
وهذا يجعل النتيجة أكبر من مجرد قياس تأين واحد. فهي تشير إلى منطق تصميم مختلف للفوتونيات فائقة السرعة، حيث تصبح إحصاءات الضوء موردًا يمكن التحكم فيه. وإذا تعممت هذه الفكرة، فقد تعيد تشكيل الطريقة التي يتعامل بها الباحثون مع بصريات الحقول العالية، والقياس فائق السرعة، وأي تقنية تعتمد على تفاعلات ضوء-مادة شديدة ولكن دقيقة.
في الوقت الحالي، العنوان واضح: مصدر ضوء كمي حقق دفعة بمقدار 20 مرة في عملية لاخطية تتطلب عادة شدة مدمرة. وفي مجال يقوم على إدارة حدود فيزيائية تزداد ضيقًا باستمرار، فإن هذه نتيجة ذات وزن علمي فوري.
تعتمد هذه المقالة على تغطية Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on phys.org