كاميرا فائقة تلتقط حركة الذرات في جزء من تريليون من الثانية

تفتح أفضل الكاميرات الرقمية المتوفرة في السوق مصراعها لمدة جزء من أربعة آلاف من الثانية تقريبًا لالتقاط صورة. ستحتاج إلى مصراع ينقر بسرعة أكبر لالتقاط النشاط الذري. كشف العلماء عام 2023 عن طريقة لتحقيق سرعة رصد تبلغ جزءًا من تريليون من الثانية، أو أسرع 250 مليون مرة من تلك الكاميرات الرقمية. هذا يجعلها قادرة على التقاط شيء مهم جدًا في علم المواد: الاضطراب الديناميكي.

يحدث ذلك عندما تتحرك مجموعات من الذرات وتتراقص في مادة ما بطرق محددة خلال فترة معينة، بسبب الاهتزاز أو تغير درجة الحرارة مثلًا. إنها ليست ظاهرة غير مفهومة بالكامل بعد، لكنها مهمة لخصائص المواد وتفاعلاتها. يمنحنا نظام سرعة الرصد فائق السرعة رؤية أكثر بكثير لما يحدث مع الاضطراب الديناميكي، ويشير الباحثون إلى اختراعهم باسم وظيفة توزيع الزوج الذري المتغير، اختصارًا vsPDF.

قال عالم المواد سايمون بيلينج من جامعة كولومبيا في نيويورك: فقط باستخدام أداة vsPDF الجديدة، يمكننا رؤية هذا الجانب من المواد. سنكون قادرين باستخدام هذه التقنية على مشاهدة المادة ومعرفة أي الذرات ترقص وأيها تجلس خارجًا.

سرعة رصد أسرع تعني توقيتًا أدق، وهو أمر مفيد لتحريك الكائنات بسرعة مثل الذرات المرتجفة. استخدم سرعة راصد منخفضة في صورة مباراة رياضية مثلًا وسينتهي بك الأمر مع وجود لاعبين غير واضحين في الإطار.

يستخدم vsPDF النيوترونات لقياس موضع الذرات لتحقيق التقاط سريع ومذهل، بدلًا من تقنيات التصوير التقليدية. يمكن تتبع الطريقة التي تضرب بها النيوترونات المادة وتمر عبرها لقياس الذرات المحيطة، مع تغيرات في مستويات الطاقة تعادل تعديلات سرعة الرصد.

تعد هذه الاختلافات في سرعة الكاميرا كبيرة، إضافةً إلى سرعة الكاميرا التي تبلغ تريليون جزء من الثانية: فهي حيوية في انتقاء الاضطراب الديناميكي من الاضطراب الساكن ذي الصلة لكن المختلف، الخلفية الطبيعية التي تهتز في موقع الذرات التي لا تعزز وظيفة المادة.

قال بيلينج: إنه يمنحنا طريقة جديدة تمامًا لكشف تعقيدات ما يحدث في المواد المعقدة، والتأثيرات الخفية التي قد تزيد من خصائصها. درب الباحثون الكاميرا النيوترونية على مادة تسمى تيلوريد الجرمانيوم (GeTe)، التي بسبب خصائصها الخاصة، تُستخدَم على نطاق واسع لتحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء، أو الكهرباء إلى تبريد.

يمكن تحسين الفهم العلمي لهذه المواد والعمليات من خلال النماذج المستندة إلى الملاحظات التي التقطتها الكاميرا الجديدة. لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لجعل vsPDF جاهزًا ليكون طريقة اختبار مستخدمة على نطاق واسع. أوضح الباحثون في ورقتهم البحثية: نتوقع أن تصبح تقنية vsPDF الموصوفة هنا أداة قياسية للتوفيق بين الهياكل المحلية والمتوسطة في مواد الطاقة.