العلماء يصنعون “شقوقًا في الوقت المناسب” في تجربة فيزياء تحير العقل
في البداية ، أظهر العلماء أنهم يستطيعون إرسال الضوء عبر “الشقوق” في الوقت المناسب.
التجربة الجديدة عبارة عن تحريف لعرض توضيحي عمره 220 عامًا ، حيث يضيء الضوء من خلال شقين في شاشة لإنشاء نمط حيود فريد عبر الفضاء ، حيث تتراكم أو تلغي قمم وقيعان الموجة الضوئية. في التجربة الجديدة ، ابتكر الباحثون نمطًا مشابهًا في الوقت المناسب ، غيروا أساسًا لون نبضة الليزر شديدة الضخامة.
تمهد النتائج الطريق للتقدم في أجهزة الكمبيوتر التناظرية التي تتلاعب بالبيانات المطبوعة على حزم من الضوء بدلاً من البتات الرقمية – وقد تجعل هذه الحواسيب “تتعلم” من البيانات. كما أنها تعمق فهمنا للطبيعة الأساسية للضوء وتفاعلاته مع المواد.
للدراسة الجديدة ، الموصوفة في 3 أبريل في مجلة Nature Physics (يفتح في علامة تبويب جديدة)، استخدم الباحثون أكسيد قصدير الإنديوم (ITO) ، وهي المادة الموجودة في معظم شاشات الهاتف. كان العلماء يعرفون بالفعل أن ITO يمكن أن يتغير من شفاف إلى عاكس استجابة للضوء ، لكن الباحثين وجدوا أنه يحدث بشكل أسرع بكثير مما كان يعتقد سابقًا ، في أقل من 10 فيمتوثانية (10 ملايين من المليار من الثانية).
“كانت هذه مفاجأة كبيرة للغاية وفي البداية كانت شيئًا لا يمكننا تفسيره ،” قال المؤلف الرئيسي للدراسة ريكاردو سابينزا (يفتح في علامة تبويب جديدة)، عالم فيزياء في إمبريال كوليدج لندن ، أخبر لايف ساينس. في النهاية ، اكتشف الباحثون سبب حدوث التفاعل بهذه السرعة من خلال تمحيص نظرية كيفية استجابة الإلكترونات في ITO للضوء الساقط. “لكن الأمر استغرق منا وقتًا طويلاً لفهمه”.
تبادل الوقت في الفضاء
أظهر العالم الإنجليزي توماس يونغ لأول مرة الطبيعة الشبيهة بموجة الضوء باستخدام تجربة “الشق المزدوج” الكلاسيكية الآن في عام 1801. عندما يضيء الضوء على شاشة ذات شقين ، تغير الموجات اتجاهها ، بحيث تتداخل الموجات الخارجة من شق واحد مع موجات قادمة من خلال الآخر. قمم وقيعان هذه الموجات إما تضيف أو تلغي ، مما يخلق أطرافًا ساطعة ومظلمة ، تسمى نمط التداخل.
في الدراسة الجديدة ، أعاد سابينزا وزملاؤه إنشاء مثل هذا النمط من التداخل في الوقت المناسب عن طريق تسليط نبضة ليزر “مضخة” على شاشة مطلية بـ ITO. بينما كان ITO شفافًا في البداية ، غيّر الضوء المنبعث من الليزر خصائص الإلكترونات داخل المادة بحيث يعكس ITO الضوء مثل المرآة. بعد ذلك ، سيصطدم شعاع ليزر “مسبار” لاحق بشاشة ITO هذا التغيير المؤقت في الخواص الضوئية باعتباره شقًا في الوقت المناسب يبلغ طوله بضع مئات من الفمتوثانية فقط. باستخدام نبضة ليزر بمضخة ثانية ، جعلت المادة تتصرف كما لو كانت تحتوي على شقين في الوقت المناسب ، نظيرًا للضوء يمر عبر شقين مكانيين مزدوجين.
في حين أن المرور عبر الشقوق المكانية التقليدية يتسبب في تغيير الضوء لاتجاهه وتهوية الضوء ، بينما يمر الضوء عبر هذين “الشقين الزمنيين” المزدوجين ، فإنه يتغير في التردد ، وهو ما يرتبط عكسيًا بطول الموجة. إن الطول الموجي للضوء المرئي هو الذي يحدد لونه.
في التجربة الجديدة ، ظهر نمط التداخل على شكل هامش ، أو قمم إضافية في أطياف التردد ، وهي رسوم بيانية لشدة الضوء المقاسة عند ترددات مختلفة. تمامًا مثل تغيير المسافة بين الشقوق المكانية ، يغير نمط التداخل الناتج ، فإن التأخر بين الشقوق الزمنية يفرض تباعد أطراف التداخل في أطياف التردد. ويكشف عدد الهوامش في أنماط التداخل هذه التي تكون مرئية قبل انخفاض اتساعها إلى مستوى ضوضاء الخلفية مدى سرعة تغير خصائص ITO ؛ تنتج المواد ذات الاستجابات البطيئة عددًا أقل من هامش التداخل الذي يمكن اكتشافه.
ليست هذه هي المرة الأولى التي يكتشف فيها العلماء كيفية التعامل مع الضوء عبر الزمن ، بدلاً من الفضاء. على سبيل المثال ، العلماء في تقول شركة جوجل إن حاسوبها الكمي “الجميز” خلق بلورة زمنية، مرحلة جديدة من المادة تتغير بشكل دوري بمرور الوقت ، على عكس ترتيب الذرات في نمط دوري عبر الفضاء.
أندريا علي (يفتح في علامة تبويب جديدة)، عالم فيزياء في جامعة مدينة نيويورك لم يشارك في هذه التجارب ولكنه أجرى تجارب منفصلة خلقت انعكاسات للضوء في الوقت المناسب ، وصفه بأنه “عرض رائع” آخر لكيفية تبادل الزمان والمكان ..
“إن أهم جوانب التجربة هو أنها توضح كيف يمكننا تبديل السماحية [which defines how much a material transmits or reflects light] من هذه المادة (ITO) سريع جدًا وبكمية كبيرة ، “أخبر Alù Live Science عبر البريد الإلكتروني.” هذا يؤكد أن هذه المادة يمكن أن تكون مرشحًا مثاليًا لإثبات انعكاسات الوقت وبلورات الوقت. “
يأمل الباحثون في استخدام هذه الظواهر لإنشاء مواد خارقة ، أو هياكل مصممة لتغيير مسار الضوء بطرق محددة ومعقدة في كثير من الأحيان.
حتى الآن ، كانت هذه المواد الخارقة ثابتة ، مما يعني أن تغيير كيفية تأثير المادة الخارقة على مسار الضوء يتطلب استخدام بنية خارقة جديدة بالكامل – جهاز كمبيوتر تمثيلي جديد لكل نوع مختلف من الحسابات ، على سبيل المثال ، كما قال سابينزا.
قال سابينزا: “لدينا الآن مادة يمكننا إعادة تكوينها ، مما يعني أنه يمكننا استخدامها لأكثر من غرض واحد”. وأضاف أن مثل هذه التكنولوجيا يمكن أن تمكن الحوسبة العصبية التي تحاكي الدماغ.
