پژوهش‌گران موفق به ایجاد امواج شوکی (Shock wave) در توپی پلاسمایی در ابعاد نانو شده‌اند. بر اساس پژوهشی که در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر شده٬ پالس‌های لیزری قادرند موج شوکی در حال انبساطی را در یک پلاسمای کوچک از یون‌ها و الکترون‌ها تولید کنند. هرچند پیش‌تر چنین «نانوپلاسما»یی دیده شده بود اما این اولین بار است که پژوهش‌گران موفق به مشاهده‌ی یک موج شوکی شده‌اند که در طول یک نانوپلاسما انتشار می‌یابد. این کشف نهایتاً به روش‌هایی منجر خواهد شد که در تولید پرتوهای یونی در مصارف زیست‌پزشکی بکار می‌رود و حتی می‌تواند به دیدگاه‌هایی منجر شود که در مورد دیگر پدیده‌های شوکی همچون امواج شوکی در ابرنواخترها نیز قابل تعمیم باشد.

اخیراً ذرات با انرژی بالا در گستره‌ی مگا الکترون‌ولت با استفاده از لیزرهای با شدت متوسط برای تولید نانوپلاسماها (ابرهای کوچک از یون‌ها و الکترون‌های پرانرژی) تولید شده‌اند. به بیان دنیل هیکشتین (Daniel Hickstein) از دانشگاه کلرادو در بولدر٬ نانوپلاسماها ممکن است این امکان را به محققان بدهند تا ذرات با انرژی بالا را بدون حضور شتاب‌دهنده‌ی ذرات تولید کنند و چون ذرات در یک موج شوکیِ نانوپلاسمایی٬ گستره‌ی باریکی از انرژی‌ها را دربرخواهند گرفت (شرط لازم برای تشخیص‌ها و پرتوافکنی‌های پزشکی) در نتیجه شوک‌هایی ایجاد می‌شوند که نخستین گام به سوی چنین کاربردهای پزشکی خواهد بود. هیکشتین و همکارانش موفق به ایجاد موج شوکی با استفاده از سیستمی شده‌اند که نگاه بی‌سابقه‌ای به یک پلاسمای به سرعت منبسط شونده دارد. این محققان پرتویی از نانوذرات ساخته‌شده از کلرید سدیم٬ کلرید پتاسیم و دیگر نمک‌ها را به درون اتاقک خلاء فرستاده‌اند. این نانوذرات در این اتاقک با پالس‌های ۴۰ فمتوثانیه‌ای و شدیداً متمرکز از نور لیزر بنفش روشن می‌شوند. حدود یک پالس در هر ۴۰ فمتوثانیه به نانوذره برخورد کرده و آن را به داخل پلاسمایی از یون‌ها و الکترون‌ها منتقل می‌کند. پس از مدت زمانی که پلاسما برای انبساط دارد٬ یون‌های مثبت از طریق مراکز دو الکترود به شکل واشر به بالای این پرتوی لیزری کشیده می‌شوند و به سوی یک آشکارساز هدایت می‌شوند؛ وسیله‌ای که انرژی ذرات را اندازه می‌گیرد.

ترکیبی از گاز نیتروژن و بلورهای نمک ۱۰۰ نانومتری (نقاط آبی روشن) از سمت چپ وارد می‌شوند. اولین پالس لیزری یک نانوذره را به درون پلاسما منتقل می‌کند و دومین پالس یک موج شوکی را درطول پلاسمای منبسط شونده به پیش می‌راند. یون‌ها بواسطه‌ی الکترودهای واشری شکل به سمت آشکارساز سوق داده می‌شوند. آشکارساز مکان یون‌ها را ثبت می‌کند که متناظر با انرژی‌ آنهاست.

انرژی یون‌های خارج شده از پلاسما در مقایسه با دیگر فناوری‌های نانوپلاسما (که از نانوذراتِ کوچک‌تر و لیزرهای شدید‌تر استفاده می‌کنند) خیلی بالا نیست. اما این سیستم به این تیم تحقیقاتی این امکان را داده است تا طیف کامل انرژی هر نانوپلاسما را به شکل منفرد ثبت کنند به جای آن‌که بر روی تعداد زیادی از نانوپلاسماها متوسط‌گیری داشته باشند. این طیف انرژی نشان داده که پالس‌های لیزری شدید امواج شوکی را در برخی از نانوپلاسماها (که توسط یون‌های خوشه‌بندی شده در نوار انرژی باریک‌تر معین می‌شوند) تولید می‌کند. این تیم به این نتیجه رسیده که با استفاده از یک پالس لیزری دوم از نور فروسرخِ نزدیک (برای حرارت دادن ناگهانی نانوپلاسما) می‌توان موج شوکی بسیار قوی‌تری را ایجاد کرد.

اما چنان امواج شوکیِ قوی تنها وقتی ظاهر می‌شوند که تاخیر زمانی بین پالس‌های اول و دوم حداقل ۷ فمتوثانیه باشد- به حد کافی طولانی تا پلاسما منبسط شده و قابلیت آن برای جذب نور لیزر افزایش یابد٬ پیش از آن‌که پالس دوم از راه برسد. بر اساس محاسباتی که این تیم انجام داده‌اند در نتیجه‌ی جذب پالس ثانوی در پوسته‌ی ماده موج شوکی ایجاد شده و یک موج فشار را به داخل میانه‌ی پلاسما می‌فرستد. این موج فشار به عنوان شوکِ به سمت بیرون حرکت‌کننده‌ی متشکل از یون‌های با انرژی‌های یکسان به عقب باز می‌گردد.

به گفته‌ی هیکشتین: «در دهه‌ی گذشته آزمایش‌گران به دنبال این امواج شوکی بوده‌اند». در سال ۲۰۰۳ یک تیم پیشنهاد داد که امواج شوکی نانوپلاسما می‌تواند به اثرات جالب بسیاری منجر گردد. همچون روشی برای به دست آوردن همجوشی هسته‌ای مابین یون‌ها در یک نانوپلاسما [1]. هیکشتین می‌گوید تیم وی موفق شده است زیرا آن‌ها از ذراتی با اندازه‌ی ۱۰۰ نانومتر استفاده کرده‌اند که ۲۰ برابر بزرگ‌تر از آزمایش‌های پیشین است. وی می‌گوید: «ذرات با اندازه‌ی بزرگ‌تر به ما این اجازه را می‌دهد تا یک تک نانوذره را بسنجیم» چیزی‌که به گفته او برای مشاهده موج شوکی امری حیاتی به حساب می‌آید. در آزمایش‌های دیگر بر روی نانوپلاسماها متوسط‌گیری می‌شود٬ که این امر باعث می شود به دلیل تنوع بسیار زیادی که در میان نانوپلاسماهای مختلف وجود دارد موج شوکی مبهم به نظر آید.

لوئیس سیلوا (Luis Silva) یک فیزیک پلاسمادان در موسسه‌ی عالی تکنیک در لیسبون پرتغال: «کنترل و تصویربرداری از دینامیک تک نانوپلاسما یه دستاورد آزمایشگاهی مهم است». «این کار راه‌های مختلفی را برای جستجو و کاوش در دینامیک خود این نانوپلاسماها و دینامیک امواج شوکی کروی که در بسیاری از آزمایشگاه‌ها و پدیده‌های اخترفیزیکی وجود دارد را می‌گشاید».

آن طور که توماس فنل (Thomas Fennel) از دانشگاه روستوک در آلمان هشدار می‌دهد ممکن است که موج شوکی تنها توضیح بر چنین داده‌هایی نباشد. وی می‌گوید: «مطالعات نظری آینده که موجب حل و فصل گونه‌های اتمی مختلف خواهد شد٬ نشان خواهد داد که آیا این تفسیر صحیح است یا نه».

هیکشتین بیان می‌دارد که نتایج حاصل از این پژوهش‌ها٬ از آن‌چه برای استفاده‌های پزشکی نیاز است٬ راه درازی در پیش دارد و در هر رخدادی کارهای بسیار اساسی ابتدا بایستی انجام شود. به بیان هیکشتین: «در کوتاه‌مدت نیازمند درک بهتر از چگونگی رفتار انبساطی نانوپلاسماها هستیم و هم این‌که چگونه آن‌ را کنترل کنیم.»

مرجع:

1. A. E. Kaplan, B. Y. Dubetsky, and P. L. Shkolnikov, “Shock Shells in Coulomb Explosions of Nanoclusters,” Phys. Rev. Lett. 91, 143401 (2003).

درباره‌ی نویسنده:

فیلیپ بال (Philip Ball) نویسنده‌ی آزاد در لندن و مولف کتاب کنجکاوی: چگونه علم به همه چیز علاقه‌مند شد(۲۰۱۲) است.

منبع:

The Smallest Shock Wave