امروزه با پیشرفت دانش و فناوری لیزر، پرتوهای لیزر گستره ی وسیعی از طول موج ها را در برگرفته اند. میزرهای مایکروویو، تراهرتز، مادون قرمز، لیزرهای نور مرئی، ماورا بنفش، لیزرهای پرانرژی پرتو ایکس در عرصه زندگی بشر وارد شده اند اما آیا می توان به دنبال دستیابی به لیزر با انرژی های بالاتر هم بود؟ در کمال شگفتی پاسخ این سوال مثبت است و با توجه به نتایج تحقیقات دانشمندان این قضیه قابل پذیرش است که لیزرهای اشعه گاما در راه هستند.
از زمانی که نظریه تابش القایی مطرح شد، سال ها طول کشید تا به لحاظ فنی مشکلات تولید یک منبع نور همدوس، تکفام، با پرتوی موازی حل و دستگاه لیزر اختراع شود. الگوی تابشی ناشی از گذار الکترون ها در یک اتم، دانشمندان را به فکر تابش القایی ناشی از گذار بین ترازهای هسته ای انداخت. تابشی که به تولید امواج الکترومغناطیسی با کوتاهترین طول موج و بالاترین انرژی یعنی اشعه گاما بیانجامد. این مطلب تا حدود زیادی از نظر تئوری قابل درک است اما موانعی بر سر راه این گونه لیزرها وجود دارد. اول اینکه برای داشتن اشعه لیزر به ایجاد وارونی جمعیت نیاز است و ایجاد وارونی جمعیت از نظر عملی در صورت وجود بیش از دو تراز انرژی ممکن است. در ترازهای هسته ای با توجه به وجود ترازهای انرژی ایزومری ایجاد وارونی جمعیت به لحاظ تجربی بسیار محدود است. از طرفی دستیابی به یک پهنای باند بسیار باریک که بتواند آبشاری از تابش القایی ایجاد کند، در حالیکه تداخلی با تابش از ترازهای الکترونی ایجاد نشود، در مواد مختلف بسیار سخت است. در این راستا محققین نظری و تجربی در صدد یافتن راه حلی بوده و به نتایج امیدوار کننده ای در این مورد دست یافته اند. در مورد این نوع لیزر هسته ای در مقالات دیگر بیشتر خواهیم گفت.
برای تولید لیزرهای اشعه گاما، علاوه بر نظریه گذار بین ترازهای هسته ای، روش دیگری مطرح است که بسیار به عملیاتی شدن نزدیک به نظر می رسد. نظریه ای که از چند سال پیش در مؤسسه تحقیقاتی کوانتومی[۱] وابسته به دانشگاه مریلند و جدیداً در دانشگاه کالیفرنیا از نظر تئوری و محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج آن به همراه تلاش های تجربی، دستیابی به لیزر اشعه گاما را به واقعیت نزدیک کرده است، برای بیشتر دانستن در مورد آن نام پوزیترونیوم[۲] را به خاطر بسپارید.
پوزیترونیوم چیست؟
پوزیترونیوم اتمی است که تنها از یک الکترون و ضدماده آن، یعنی پوزیترون، تشکیل شده است که در یک مسیر دایره ای می چرخند. این ترکیب دارای پایداری کمی است، بنابراین برای مدت کوتاهی آنها یک شیء را تشکیل می دهند که دارای خواصی است که شباهت زیادی به یک اتم هیدروژن معمولی دارد ولی در فاصله اندکی واهلش کرده، یکدیگر را کاملاً نابود می کنند و اشعه گاما آزاد می کنند. از طرف دیگر ترکیب این زوج ماده و ضدماده و تشکیل پوزیترونیوم به تابش پرتو گاما منجر می شود.
به غیر از پوزیترونیوم مفهوم مهم دیگری وجود دارد که برای درک بهتر لیزر اشعه گاما لازم است با آن آشنا شوید. مفهومی آشنا برای کسانی که با فیزیک لیزر سروکار دارند، یعنی چگالش بوز- انیشتین[۳] (BEC).
چگالش بوز- انیشتین بیانگر مجموعه ای از ذرات است (این ذرات از منظر فیزیک و مکانیک آماری از نوع بوزون هستند) که تا نزدیک دمای صفر مطلق توسط لیزر سرد شده اند و در حقیقت در پایین ترین حالت کوانتومی خود قرار دارند. BEC دارای کاربردهای مختلفی است و از آن برای کاهش سرعت نور، تبدیل نور به امواج ماده و بازگشت این حالت به پرتو نور، همچنین ایجاد لیزرهای اتمی استفاده شده است. چگالش بوز- انیشتین را می توان از انواع مختلف اتم، از جمله پوزیترونیم ساخت.
دانشمندان به کمک نظریه چگالش بوز- انیشتین به دنبال ایجاد لیزر اشعه گاما هستند. آنها به کمک نظریه BEC امکان ایجاد یک محیط بهره از پوزیترونیوم چگالیده را بررسی می کنند که امکان ایجاد فوتون های لیزر اشعه گاما با انرژی ۵۱۱ الکترون ولت را دارد.
پژوهشگران در تحقیقات خود پیکربندی هایی که به ایجاد لیزر اشعه گاما منجر می شود یا برعکس به ایجاد این نوع پرتو لیزر منجر نمی شود را به صورت نظری امکان سنجی کرده اند. آنها در سیر مطالعات خود همواره به دنبال حالت هایی بودند که بتوانند طول عمر پوزیترونیوم را افزایش دهند. در این راستا محققین تأثیر برخوردهای بین پوزیترونیوم ها را برای انواع متفاوت اتم پوزیترونیوم مورد بررسی قرار داده اند، زیرا برخوردها (اگر کنترل نشوند) محدودیت زیادی در عملکرد لیزر پرتو گاما ایجاد می کنند.
در این تصویر شماتیک، فوتون های گامای تابش شده به صورت خودبخودی، ناشی از واهلش اتم های پوزیترونیوم در برخورد با سایر اتم ها به واهلش پی در پی سایر اتم ها و تابش القایی می انجامد، در یک پالس پرتوی همدوس اشعه گاما با توان kev 511 ایجاد می شود.
برای ایجاد لیزر اشعه گاما، لازم است به کمک چگالش بوز- انیشتین، جمعیت مناسبی از اتم های پوزیترونیوم ایجاد شود. به به عبارتی حداقل تعداد ۱۰۱۸ اتم در سانتی متر مکعب که حدود ۳% چگالی هوا است ایجاد شود. البته یک حد تراکم بحرانی وجود دارد که در این حد برخوردهای بیشتر می تواند چگالش بوز- انیشتین را بر هم بزند.
این ماده چگالیده در مدت زمان یک نانو ثانیه تا ۰٫۱ میکرو ثانیه، باید با یک پالس اشعه مادون قرمز دور، با یک توالی سوئیچینگ خاص تحریک شود. در این صورت امکان تابش تعداد زیادی فوتون گاما به صورت همدوس و همراستا ایجاد می شود.
بزرگترین چالش پیش روی لیزر اشعه گاما ایجاد چگالش بوز- انیشتین به صورتی است که بتواند لیزر اشعه گاما ایجاد کند. اصولاً ساخت تجهیزات لازم برای ایجاد این چگالش حتی اگر دشواری های فنی این مسئله حل شود، حداقل به اندازه یک اتاق عظمت خواهد داشت.
اما به تازگی راه حلی عملیاتی برای حل این مشکل مطرح شده است. یکی از فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا به نام آلن میلز[۱]، به تازگی محاسباتی را انجام داده است که نشان می دهد حباب های توخالی پر از اتم های گاز پوزیترونیوم که در هلیوم مایع ایجاد می شوند پایدارهستند. حقیقتاً این یک گام جدید و مؤثر برای عملی کردن لیزر اشعه گاما به شمار می رود. به ادعای این پژوهشگر، محاسبات انجام شده نشان می دهد که حباب قرار گرفته در هلیوم مایع که حاوی یک میلیون اتم پوزیترونیوم است، ۶ برابر بیشتر از هوای معمولی در حالت بوز- انیشتین باقی می ماند.
هلیوم دومین عنصر فراوان در جهان، فقط در دماهای بسیار پایین به صورت مایع است و از آنجا که ضریب پیوستگی آن نسبت به پوزیترونیوم منفی است، اتم های پوزیترونیوم توسط هلیوم مایع دفع می شوند. به این ترتیب امکان تشکیل حباب های پوزیترونیوم با طول عمر بیشتر در هلیوم مایع وجود دارد.
گام بعدی برای تحقق چگالش بوز- انیشتین مناسب برای تولید لیزر اشعه گاما، می تواند تونل زنی پوزیترونیوم در ورق گرافن باشد که برای مواد عادی از جمله هلیوم غیرقابل نفوذ هستند. این تحقیقات می تواند سبب ایجاد پرتو لیزر اتم پوزیترونیوم برای محاسبات کوانتومی شود. کاربردی نوین که در کنار کاربردهای لیزر اشعه گاما در زمینه تصویربرداری پزشکی، درمان سرطان و پیشران فضاپیماها به تحولی ژرف در فناوری می انجامد.
References:
۱-Yi-Hsieh Wang, Brandon M. Anderson, and Charles W. Clark, “Spinor Bose-Einstein Condensates of Positronium,” Physical Review A, Vol. 89, p. 043624 (2014), published online 28 April 2014 at http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.89.043624 DOI: 10.1103/PhysRevA.89.043624.
۲- A.P Mills, Jr., Physical Review A (2019); https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.100.063615.
Sources:
۲-https://www.laserfocusworld.com/blogs/article/16564737/positronium-gammaray-laser-is-possible
۴-https://phys.org/news/2019-12-gamma-ray-laser-closer-reality.html
[۱] Allen Mills
[۱] Joint Quantum Institute: JQI
[۲] Positronium
[۳] Bose-Enstain Condensate