۰ نفر
۲۸ فروردین ۱۳۸۸ - ۰۹:۰۷

فیزیک‌دانان توانسته‌اند برای اولین بار، پرتوهای لیزر خمیده تولید کنند و با استفاده از آن، صاعقه‌های منحنی‌شکل تولید کنند

مجید جویا: در افسانه‌های اسکاندیناوی آمده است که تور؛ خدای رعد و برق؛ صاعقه را با چکش خود منحرف می‌کرد. به زودی دانشمندان قادر خواهند بود تا با استفاده از پرتوهای خمیده لیزر، به این افسانه واقعیت ببخشند.

لیزر شاید هزاران کاربرد در هر بخش از جوامع مدرن داشته باشد، ولی تمام پرتوهای لیزر به لحاظ پایه‌ای شبیه به یکدیگرند: تک‌رنگ و مستقیم. ولی به گزارش نیچر، فیزیک‌دانان امریکایی توانسته‌اند این تصور غالب را با تولید اولین پرتوی لیزر خمیده بشکنند. پژوهشگران فیزیک اپتیک در دانشگاه آریزونا که تحت سرپرستی پاول پولینکین به تحقیق مشغولند، توانسته‌اند برای اولین بار پالس‌های لیزری به طول 35 فمتوثانیه را از یک سیستم استاندارد با هسته یاقوت و تیتانیوم بسازند. هر فمتو ثانیه، یک میلیون میلیارد بار کوچک‌تر از یک ثانیه است.

تفاوت پالس‌های لیزر مستقیم با لیزرهای استاندارد در این است که آنها به جای یک تک فرکانس نور، طیفی از رنگ‌ها را پوشش می‌دهند. سپس، هر پالس از یک لنز و ماسک شفاف «الگوی فازی» عبور می‌کند، که همه این‌ها در مجموع پالس لیزر را به مولفه‌های بنیادی‌ آن تقسیم می‌کنند. این کار شبیه به این است که یک قطعه موسیقی ارکسترال را تا جایی تقسیم کنیم که به نت‌های تشکیل دهنده آن برسیم.

منحنی شدت یک موج معمولی لیزر در اطراف محدوده مرکزی شدت آن، متقارن است؛ ولی ماسک و لنز مخصوصا برای این طراحی شده‌اند که یک منحنی شدت نامتقارن و غیر معمول را بر آن تحمیل کنند و پرتویی بسازند که اصطلاحا پرتوی آیری نامیده می‌شود. در سمت راست یک پرتوی آیری، محدوده‌ای با شدت نور خیلی بالا قرار دارد و مجموعه‌ای از محدوده‌های کوچک‌تر و کم شدت‌تر در سمت چپ قرار دارند.

جرمی مولونی، از فیزیک‌دانان دانشگاه آریزونا و عضو گروه پولینکین، می‌گوید که منحرف کردن صاعقه در اطراف ساختمان‌های بلند و دور کردن آن از فرودگاه‌ها، نیروگاه‌های برق و دیگر اماکن حساس، تنها یکی از کاربردهای پرتوهای خمیده لیزر است. او می‌گوید: «نوآوری واقعی این است که ما توانسته‌ایم در آزمایشگاه، نور را منحرف کنیم».

قوس پلاسما

هنگامی که پالس از لنز دور می‌شود، بین محدوده‌های دارای اختلاف شدت، انرژی جریان پیدا می‌کند. به دلیل عدم تقارن درونی، پرتو لیزر در طول اندازه‌گیری شده 60 سانتی‌متری خود، حدود 5 میلیمتر به راست منحرف می‌شود. این میزان، برای فرستادن پرتوها به زاویه‌های تیز کافی نیست، ولی می‌توان آنها را در کاربردهای میکروسکوپی، حول اجسامی مانند سلول‌ها هدایت کرد.

در اوج خمش پالس، تمرکزی از انرژی الکترومغناطیسی وجود دارد که وقتی از هوا عبور می‌کند، آن را یونیزه می‌کند و به دنبال خود یک قوس پلاسما بر جا می‌گذارد. دیمتریوس کریستودولیدس از دانشگاه فلوریدای مرکزی که از اعضای گروه پولینکین نیز هست، می‌گوید که این قوس‌های پلاسما می‌تواند در فرایندهای تحلیلی به ما کمک کند. او می‌گوید: «تشعشع‌های ایجاد شده در جریان فرایند، نشان دهنده ترکیب گاز هستند (که پلاسما از میان آن عبور می‌کند)».

فیزیک‌دانان لیزر، هم اکنون از پرتوهای ساخته شده از پالس‌های کوتاه لیزر برای برای قلم زدن «کانال‌های پلاسما» استفاده می‌کنند. این پالس‌ها، سرعت حرکت نور را در هوا تغییر می‌دهند؛ بدین‌شکل که سرعت نور را در مرکز پرتو، کاهش و در کناره‌ها، افزایش می‌دهند. این امر سبب می‌شود که پرتو، پیوسته به خود متمرکز شود و در فواصل طولانی، شدت بالایی را حفظ کند. این پرتو، نیتروژن و اکسیژن را در اطراف خود یونیزه می‌کند و محیط پلاسما به وجود می‌آورد.

مولونی و همکارانش، راهی برای هدایت این مسیرها یافته‌اند. آنها از نوع دیگری از لیزر استفاده می‌کنند که پرتوی آیری نامیده می‌شود. این نام‌گذاری به احترام ریچارد بیدل آیری، اخترشناس قرن نوزدهم است که ریاضیات حاکم بر چنین حرکتی را کشف کرد. پرتو‌های آیری به این دلیل خم می‌شوند که در واقع از ترکیبی از امواج به وجود آمده‌اند: یک موج عمده که بیشترین قسمت از شدت پرتو را در خود دارد؛ و تعداد زیادی از امواج دنباله‌رو که هر یک به اندازه نصف طول موج خود با موج بعدی اختلاف دارند. این موج‌ها با یکدیگر تداخل دارند، در نتیجه موج اصلی به یک سو و دنباله‌اش در جهت مخالف خمیده می‌شود.

گروه مولونی با ترکیب پرتوی آیری با یک پرتوی قدرتمند پالسی، کانال‌های پلاسمای خمیده‌ای ایجاد کردند که می‌تواند خم شود یا با استفاده از یک لنز مستقیم حرکت کند. مولونی و همکارانش روی کاغذ حساب کرده‌اند که اگر این پرتو‌های از زمین به ابرها شلیک شوند، خواهد توانست مسیری انحرافی برای صاعقه ایجاد کنند تا مانند یک مسیر اتصال زمین، انرژی ذخیره شده رعد و برق در آن مسیر تخلیه شود.

کاربردهای غیر عادی
پیش از این نیز از کانال‌های مستقیم پلاسما برای ایجاد آن تشعشع‌ها استفاده می‌شد که حرکت همگی آنها مستقیم رو به جلو بود. اما از آنجا که در این پالس‌های خمیده، جهت حرکت هر قوس در هر لحظه تغییر می‌کند، این تشعشعات را می‌توان در نقاط مختلفی از یک حسگر دریافت کرد. کریستودولیدس در این مورد می‌گوید: «اکنون به دلیل این‌که تشعشعات از الگوی خمیده پلاسمایی ناشی می‌شوند، می‌توانید به طور دقیق مشخص کنید که از کدام قسمت گاز می‌آیند».

ولی ژروم کاسپاریان، از دانشگاه ژنو در سوئیس که در این تحقیقات شرکت ندارد، در گفتگو با نیوساینتیست گفته است که کانال‌های پلاسمای تولیدی توسط پالس‌های لیزر، می‌توانند در مقیاس بزرگ‌تر، کاربردهای به مراتب غیر عادی‌تری نیز پیدا کنند. کاسپاریان و ژان پیر ولف، که او هم از دانشگاه ژنو است، تلاش می‌کنند با تاباندن پالس لیزر به درون ابرهای باردار، از کانال‌های پلاسما برای کنترل صاعقه استفاده کنند.

در سال 1383 / 2004، کاسپاریان و ولف، تجهیزات لیزری تولید کانال‌های پلاسمای خود را با خود به نیومکزیکو بردند تا بر روی طوفان‌های همراه با رعد و برق آزمایش کنند. آنها پالس‌های مستقیم لیزر را ده بار در هر ثانیه به درون ابرها تاباندند، به این امید که کانال‌های پر انرژی پلاسمای تولید شده در اثر تابش لیزر بتوانند سبب بروز رعد و برق شوند و از طریق این کانال‌های پلاسما به زمین منتقل شوند، و چیزی شبیه به سیم اتصال زمین برای رعد و برق ایجاد شود.

کاسپاریان در مورد این آزمایش می‌گوید: «ما نتوانستیم تخلیه آذرخش را حس کنیم، ولی توانستیم فعالیت‌های الکتریکی هم‌زمان با پالس‌های لیزر را حس کنیم». او فکر می‌کند که ایراد کار در اینجا بود که پلاسما، انرژی خیلی کمی برای تحریک کامل رعد و برق داشت، ولی پژوهشگران حدس می‌زنند که می‌توانند مشکل را با تغییراتی در سیستم حل کنند.

خم کن و شکل بده
کاسپاریان اهمیت کار جدید را نیز در همین جا می‌داند: «شکل دادن به این پرتوها با چنین شدتی، واقعا یک کار تاثیرگذار است».

این پرتوها هم‌چنین می‌توانند با ویژگی خود‌ترمیمی خود، از متوقف شدن در برابر موانع اجتناب کنند. از آنجاکه شکل و فرم یک پرتوی آیری با تداخل بین قسمت‌های مختلف آن مدیریت می‌شود، انسداد راه یک قسمت کوچک از پرتو، برای تخریب کل اطلاعات آن کافی نیست. وقتی که باقی‌مانده موج از کنار مانع رد می‌شود، قسمت‌های باقیمانده موج به سادگی قادر خواهند بود تا منحنی اصلی آیری و ویژگی متمرکز بودن بر خود ان را بازسازی کنند.

کاسپاریان که پیش از این نیز تجربه تاباندن لیزر به درون ابرها را دارد و با مشکلات خاص آن نیز آشنا است، می‌گوید: «این واقعا جالب است. چنین به نظر می‌رسد که انگار مستقیما از وسط مانع عبور کرده است. این، آنها را برای کاربرد در اتمسفر مناسب می‌کند، چون به این ترتیب آنها در برخورد با قطرات باران منحرف نمی‌شوند».

به گفته کاسپاریان، کار تیم کریستودولیدس در آینده می‌تواند با کار گروه وی ترکیب شود تا به هدف‌گیری پالس‌های لیزر و کانال‌های پلاسما به اهداف مشخصی مانند ابرها کمک کند؛ هر چند او به این نکته نیز اشاره می‌کند که پالس‌های لیزر را می‌توان با استفاده از آینه‌ها هم هدایت کرد، «ولی دیدن تخلیه‌های الکتریکی خمیده ابرها جالب خواهد بود».

علاقه یان والمزلی، فیزیک‌دان لیزر در دانشگاه آکسفورد در انگلستان نیز به چنین تحقیقاتی جلب شده و در مورد چشم‌انداز ایده هدایت صاعقه با لیزر نیز خوش‌بین است. او می‌گوید: «فناوری به جایی رسیده است که انجام این کار به زودی ممکن می‌شود و اگر آنها بتوانند این کار را انجام دهند، واقعا کار بزرگی انجام داده‌اند».

والمزلی بر این باور است که این روش می‌تواند کاربردهای دیگری نیز داشته باشد، مانند خم کردن جریان ذره‌ها در برخورد دهنده‌های نسل بعدی. فیزیکدان‌ها پیشنهاد استفاده از میدان‌های الکتریکی متصل به پلاسماها را برای شتاب دادن به ذرات باردار و دست‌یابی به انرژی‌های بالاتر مطرح کرده‌اند و چنین می‌گویند که استفاده از این فناوری، سبب می‌شود که برخورد دهنده‌ها بتوانند ابعادی خیلی کوچک‌تر از ابعاد فعلی خود داشته باشند.

کاربرد بالقوه دیگر، حک کردن کانال‌ها در شیشه برای تولید مدارهای مجتمع نوری است؛ بدین ترتیب می‌توان به جای سیگنال‌های الکتریکی که از طریق سیم ارسال می‌شوند، از پالس‌های نوری استفاده کرد. والمزلی می‌گوید: «این برای کاربری‌هایی که فشردگی و پیچیدگی را با هم می‌خواهند، راه حلی ایده‌آل است»

در نگاه اول، پرتوهای خمیده لیزر که می‌توانند از موانع بگذرند، برای اهداف نظامی نیز ایده‌آل به‌نظر می‌رسد؛ ولی به گفته کاسپاریان، این کار شانس زیادی برای موفقیت نخواهد داشت. دلیلش هم این است که تنها پرتوهایی با قطر کم (که به نسبت انرژی کمی نیز دارند) را می‌توان واداشت تا خمیدگی قابل توجهی داشته باشند. کاسپاریان می‌گوید: «با این دستگاه، شما نخواهید توانست از پشت دیوارها به افراد شلیک کنید. البته نظامی‌ها قدرت تخیل بالایی دارند، در نتیجه احتمالا کاربردهای دیگری برای آن خواهندیافت».

کد خبر 6624

برچسب‌ها

نظر شما

شما در حال پاسخ به نظر «» هستید.
4 + 13 =