ابتكار أول حزم نيوترونية Airy في التاريخ

2025/04/21 - 12:15:28pm

حقق علماء من "المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية" (NIST) إنجازاً علمياً غير مسبوق، حيث تمكنوا ولأول مرة من توليد حزم نيوترونية على هيئة Airy beams، وهي حزم قادرة على التحرك في مسارات منحنية بشكل ذاتي، مما يمهد الطريق لفهم أعمق للمواد على المستوى الذري.
- ما هي حزم Airy ولماذا تُعد استثنائية؟
تُستخدم الحزم النيوترونية تقليدياً لفحص بنية وخصائص المواد في العمق، وتُعد أداة لا غنى عنها في مجالات مثل علم المواد، البيولوجيا، الكيمياء، والهندسة. لكن Airy beams تتميز بخصائص فريدة مثل:
قدرتها على الانحناء الذاتي دون أي قوة خارجية.
مقاومتها للتشتت أثناء الحركة (non-diffraction).
قابليتها لاستعادة شكلها الأصلي بعد تجاوز العوائق (self-healing).
هذه الخصائص تجعل منها مرشحة مثالية لتطبيقات متقدمة في التصوير والكشف عن خصائص المواد الدقيقة والمعقدة.
- التحدي الأكبر: كيف تم توليد هذه الحزم؟
يعد التحكم في حزم النيوترونات أكثر صعوبة من التحكم في الضوء أو الإلكترونات، لأن النيوترونات لا تحمل شحنة وتتفاعل بشكل ضعيف مع المادة، مما يجعل توجيهها بعدسات أو مجالات مغناطيسية أمراً شبه مستحيل.
لتجاوز هذه التحديات، قام الباحثون في NIST بتصميم جهاز فريد يعتمد على شريحة من السيليكون تحتوي على ملايين الخطوط المحفورة بدقة متناهية. هذه الخطوط موزعة ضمن ستة ملايين مربع صغير، متساوية المسافات، تم ترتيبها بعناية على مدى سنوات من التجارب.
يقول ديمتري بوشين، أحد الباحثين في الدراسة وأستاذ في جامعة واترلو:
"استغرق الأمر منا سنوات طويلة لتحديد الأبعاد الدقيقة لهذه المصفوفة السيليكونية التي سمحت بتحويل الحزم العادية إلى حزم Airy."
- إمكانيات هائلة لحزمة واحدة!
الآن، كلما مر شعاع نيوتروني عبر هذا الجهاز السيليكوني المتطور، يتم تحويله تلقائياً إلى شعاع Airy. هذه الحزمة الجديدة تتيح فرصاً غير مسبوقة في التطبيقات العلمية والهندسية، مثل:
تحسين دقة التصوير النيوتروني للكشف عن تفاصيل دقيقة داخل المواد دون الإضرار بها.
التركيز على مناطق محددة في العينات، كالنقاط المعرضة للإجهاد في المعادن أو البنية الداخلية للبطاريات وخلايا الوقود.
دمج حزم Airy مع أنواع أخرى من الحزم النيوترونية لتخصيصها حسب الحاجة، كالكشف عن القوام المغناطيسي في المواد الكمومية أو عيوب أشباه الموصلات المتقدمة.
- مستقبل التكنولوجيا: من الأدوية إلى الحوسبة الكمومية
الآفاق المستقبلية لا حدود لها، حتى ولو تم اختيار مجال واحد من هذه التطبيقات. على سبيل المثال، إذا استطاع العلماء التحكم في التماثل الجزيئي (chirality) باستخدام حزم Airy، فإن ذلك قد يحدث ثورة في صناعة الأدوية وتطوير الحواسيب الكمومية.
تشير التقديرات إلى أن سوق الأدوية المعتمدة على التماثل الجزيئي وحده يتجاوز 200 مليار دولار سنوياً، كما أن تقنيات التحفيز الكيميائي المعتمد على التماثل تُستخدم على نطاق واسع في تصنيع العديد من المنتجات الكيميائية.
إنتاج حزم Airy باستخدام النيوترونات ليس مجرد إنجاز فيزيائي، بل يمثل نقطة تحوّل في طرق استكشاف المواد وتصميم التقنيات المستقبلية. إنه يفتح باباً لعصر جديد من التحكم الموجي الذكي الذي قد يعيد تعريف حدود العلم والصناعة.