پرتوي ليزر توان بالايي كه در هوا منتشر مي‌شود را مي‌توان به جاي يك تكه نگه داشتن، به «رشته‌هاي» كوچكي تقسيم كرد. بر طبق تحليل جديدي از رشته‌‌سازي (filamentation) ليزر در مجموعه‌اي از چندين رشته، گذار فازي وجود دارد كه مشابه با اتفاقي است كه براي آب نفوذكننده به دانه‌هاي قهوه رخ مي‌دهد. عمل رشته‌سازي در ليزرهاي مورد استفاده براي هدايت آذرخش يا كاوش اتمسفر به كار مي‌آيد و درك اين گذار، بالقوه مي‌تواند در كنترل آن مفيد واقع شود.

W. Ettoumi et al., Phys. Rev. Lett. (2015)

ارتباط بين نقاط. سطح مقطع پالس ليزر شبيه سازي شده در فاصله 7/11 متر از منبع آن، چندين جزيره يا «خوشه» از رشته‌هاي متصل به هم را نشان مي‌دهد. خوشه‌ها بر حسب اندازه رنگ آميزي شده‌اند به طوري كه بزرگترين خوشه‌ها قهوه‌اي و كوچكترين‌ها آبي تيره هستند. در اين حالت، تك خوشه‌اي كه از يك سو به سوي ديگر كشيده شده باشد وجود ندارد.

W. Ettoumi et al., Phys. Rev. Lett. (2015)

اين شبيه سازي كامپيوتري تشكيل رشته‌هاي ليزر را در سطح مقطع پالس ليزري كه از هوا مي‌گذرد با مسافت انتشار مشخص شده در سمت چپ بالا نشان مي‌دهد. در آغاز، نواحي با شدت بالا يك سمت را به سمت ديگر متصل مي‌كند(حالت نفوذ كننده)، اما با حركت پالس اين خوشه‌ها تا آنجا به هم نزديك مي‌شوند كه همه‌ي مسيرهاي نفوذ ناپديد شوند. اين امر حاكي از يك گذار فاز است.

مواد متخلخل مي‌توانند ساختار مشابهي داشته باشند. اگر ماده را برش بزنيد، مي‌توانيد حفره‌هايي را ببينيد كه شبيه «جزيره‌ها» در سطح مقطع ليزر است. چنانچه اين حفره‌ها مسير متصل به یکدیگر پیوسته ای را شكل دهند آنگاه آب مي‌تواند در آن جريان يافته يا از سمتي به سمت ديگر «نفوذ» كند. تحقيقات قبلي نشان داده است كه اگر تخلخل ماده را به تدريج زياد كنيد، يك گذار فاز ناگهاني از عدم نفوذ به نفوذ اتفاق مي‌افتد. نسخه‌ي دو بعدي از اين رفتار گذري شبيه به گسترش بيماري در يك جمعيت يا جهت‌گيري مجموعه‌اي از اسپين مغناطيسي اتم‌ها يا الكترون‌هاست.

با استفاده از نظريه‌ي نفوذ به عنوان اصل پايه، ولف و همكارانش اطلاعات رشته‌ي ليزري را بر حسب شبكه‌ي دو بعدي تحليل كردند. اگر در بخشي از شبكه شدت ليزر از آستانه‌ي مشخصي بالاتر بود، به آن برچسب «پر» زده مي‌شد. گروه نشان داد كه ضريب پرشدگي- يعني نسبت جاهاي پر به خالي- به طور يكنواخت با فاصله‌ي انتشار كم مي‌شود. آن‌ها همچنين نشان دادند كه «احتمال نفوذ» (احتمال اينكه جاهاي پر به هم راه داشته باشند) در ضريب 48% به طور ناگهاني از يك به صفر افت مي‌كند و مسافت انتشار متناظر با آن حدود 11 متر است. پس گذار فاز در اين فاصله رخ مي‌دهد. با كمك شبيه ‌سازي‌هاي رايانه‌اي، محققان اين گذار فاز را به طور رياضي توصيف كرده و مشابهت‌هايي با نفوذ سيال به درون مواد متخلخل يافتند. اگرچه تفاوت‌هايي هم بين رشته‌ها و رفتار نفوذي وجود داشت كه به عقيده‌ي واب اِتومي Wahb Ettoumi از اعضاي تيم ناشي از اين است كه خوشه‌هاي رشته‌اي نوعاً اندازه‌ي 2 ميليمتر مربع دارند در حالي اندازه‌ي خوشه‌هاي نفوذ داراي بازه‌ي وسيعي است. مقايسه با نفوذ، مي‌تواند به پژوهشگران در ساخت‌ رشته‌هاي ليزر براي كنترل آذرخش يا ساير استفاده‌ها كمك كند زير ا ارتباط بين رشته‌ها بر رسانايي بلندبرد پلاسما در مركز هر رشته اثر مي‌گذارد. مزيت رشته‌هاي ليزر اين است كه گذار فاز را مي‌توان مستقيماً ديد برخلاف مثلاً مواد مغناطيسي كه رفتار شبه نفوذي اسپين‌ها در تراز ميكروسكوپي اتفاق مي‌افتد. اِتومي قصد دارد از رشته‌هاي ليزر براي مطالعه‌ي چگونگي واكنش چنين سيستم‌هايي در مقابل افت و خيزها استفاده كند.

دنيل فاچيو Daniele Faccioاز دانشگاه هريت-وات در انگلستان مي‌گويد، «ارتباط چندين رشته به گذار‌ فاز مسلماً مهم است. از يك سو سيستم جديدي را در اختيار ما قرار مي‌دهد كه با آن مي‌توانيم اين نوع از گذار فازها‌ و نفوذ را بررسي كنيم و از سوي ديگر ابزار جديدي براي درك، تحليل و احتمالاً كنترل رشته سازي است».

مرجع

1. S. Henin et al., “Saturation of the Filament Density of Ultrashort Intense Laser Pulses in Air,” Appl. Phys. B 100, 77 (2010).

منبع

Laser Filaments Go through Phase Transition