كشف الباحثون عن طريقة تصوير جديدة يمكنها التقاط الأحداث فائقة السرعة في العالم المجهري بتفاصيل غير مسبوقة. هذه العمليات، التي تتكشف على مقياس زمني يبلغ مئات الفيمتوثانية (تريليون من الثانية)، كانت تقليدياً صعبة الدراسة بشكل شيطاني. لكن التقنية الجديدة تسمح للعلماء بمراقبة هذه التغيرات السريعة بوضوح وسرعة استثنائيين.

"في مجالات الفيزياء والكيمياء والأحياء وعلوم المواد، تحدث العديد من الظواهر المهمة بسرعة لا تصدق"، قال قائد فريق البحث يونهوا ياو من جامعة شرق الصين العادية. "يمكن لتقنيتنا الجديدة التقاط التطور الكامل لكل من سطوع الجسم وهيكله الداخلي في قياس واحد. هذه خطوة كبيرة إلى الأمام لفهم الطبيعة الأساسية للمادة، وتصميم مواد جديدة، وحتى كشف أسرار العمليات البيولوجية."

وصف الفريق طريقتهم، المعروفة باسم التصوير الفيمتوثاني المتماسك الطيفي الزمني المضغوط (CST-CMFI)، في مجلة Optica. باستخدام هذا النظام، تمكنوا من تتبع النشاط فائق السرعة مثل تكوين البلازما في الماء بعد نبضة ليزر فيمتوثانية وسلوك حاملات الشحنة المثارة في مادة تسمى ZnSe.

"بالإضافة إلى مساعدة العلماء في دراسة المواد التي تتغير على الفور استجابةً لضوء الليزر، والتفاعلات الكيميائية التي تعيد ترتيب الذرات بسرعة البرق، والسلوك الديناميكي للجزيئات الحيوية على مقاييس زمنية قصيرة بشكل لا يصدق، يمكن لـ CST-CMFI المساعدة في تحسين تقنيات الليزر عالية الطاقة المستخدمة في أبحاث الطاقة النظيفة، والتصنيع المتقدم، والأدوات العلمية"، قال ياو. "قد يؤدي أيضاً إلى تطوير إلكترونيات أكثر كفاءة، وخلايا شمسية محسنة، وأجهزة أسرع من خلال تمكين فهم أفضل لكيفية تصرف المواد على مقاييس زمنية سريعة للغاية."

التقاط أكثر من مجرد ومضة عابرة

هذا العمل جزء من الجهود المستمرة في مختبر التصوير البصري المتطرف في جامعة شرق الصين العادية. التركيز الرئيسي هو التصوير البصري فائق السرعة ذو اللقطة الواحدة، الذي يلتقط الأحداث غير القابلة للتكرار في تعريض واحد. كانت التقنيات السابقة تسجل بشكل رئيسي التغيرات في السطوع، أو شدة الضوء. لكن الضوء يحمل أيضاً معلومات الطور، التي تكشف كيف ينحني أو يغير سرعته. سعى الباحثون إلى التقاط كل من الشدة والطور في وقت واحد، مما يوفر صورة أكثر اكتمالاً.

لتحقيق هذا، جمعوا بين رسم الخرائط الزمنية الطيفية، والتصوير الطيفي المضغوط، والتصوير المتماسك بالتعديل. يستخدم النظام نبضة ليزر متغيرة التردد مكونة من أطوال موجية متعددة تصل في أوقات مختلفة قليلاً، مما يربط الوقت بالطول الموجي بشكل فعال. عندما تتفاعل النبضة مع حدث سريع التغير، يحمل الضوء المتناثر معلومات مكانية وطيفية وطورية مفصلة، والتي تُضغط في صورة واحدة. ثم تعالج شبكة عصبية مستنيرة بالفيزياء هذه البيانات، مفصولة الأطوال الموجية، وتعيد بناء كل من الشدة والطور مع مرور الوقت لإنشاء فيلم فائق السرعة من لقطة واحدة.

مشاهدات فورية للبلازما ومشاغبات الإلكترونات

في الاختبار، فحص الفريق البلازما المتكونة في الماء بواسطة ليزر فيمتوثانية، والتي يمكن أن تدعم تطبيقات مثل الإجراءات الطبية القائمة على الليزر. كشف التصوير عن تغيرات كل من السطوع والطور داخل قناة البلازما، بما في ذلك تكوين بلازما إلكترونات حرة كثيفة. كما درسوا ديناميكيات حاملات الشحنة في ZnSe لفهم كيف تتحرك الشحنات الكهربائية بعد إثارتها بالضوء، وهو أمر حاسم لتحسين الأجهزة البصرية والإلكترونية.

"باستخدام CST-CMFI، تمكنا من رؤية تباينات الطور المرتبطة بديناميكيات حاملات الشحنة، حتى عندما لم تكن هناك تغييرات كبيرة في الشدة"، قال ياو. "هذا يسلط الضوء على ميزة رئيسية لطريقتنا: يمكن أن تكون قياسات الطور أكثر حساسية بكثير من قياسات الشدة في اكتشاف العمليات فائقة السرعة الدقيقة."

خطط مستقبلية: لأن حتى تريليون من الثانية ليس سريعاً بما يكفي

بالنظر إلى المستقبل، يخطط الباحثون لتطبيق الطريقة لدراسة ظواهر إضافية مثل ديناميكيات الواجهة والتحولات الطورية فائقة السرعة. حالياً، يحول CST-CMFI المعلومات الطيفية إلى معلومات زمنية، مما يحد من قدرته على دراسة العمليات شديدة الحساسية للتغيرات الطيفية. لمعالجة هذا، يهدف الفريق إلى الجمع بين CST-CMFI والتصوير الفائق السرعة المضغوط، مما سيسمح بالتقاط المعلومات الطيفية والزمنية بشكل منفصل، مما يوسع بشكل كبير تنوع التكنولوجيا.