اكتشاف هوائي كمي جديد يكشف النقاب عن عالم تيراهيرتز المخفي

فهم العالم الخفي لترددات التيراهيرتز عبر تقنية الهوائيات الكمومية

في عالم الفيزيا وعلوم المواد، تُعتبر ترددات التيراهيرتز (THz) نقطة تلاقي بين الإلكترونيات والبصريات، لكن حتى وقتٍ قريب، كان هذا المجال يُعتبر منطقة غير مكتشفة تقريبًا في الطيف الكهرومغناطيسي. ومع تقدم العلوم، نجح فريق من الباحثين من قسم الفيزياء ومركز تكنولوجيا البصريات الكمومية في جامعة وارسو في تسجيل إنجاز تقني مهم يتعلق بالتقنيات المستخدمة في قياس ترددات التيراهيرتز، من خلال تطوير “هوائي كمومي” يمكنه الكشف عن إشارات هذه الترددات بدقة غير مسبوقة.

أهمية ترددات التيراهيرتز

توجد ترددات التيراهيرتز بين الموجات الميكروية، كما هو الحال في الاتصالات اللاسلكية مثل الواي فاي، والأشعة تحت الحمراء. وتشتهر هذه ترددات بإمكاناتها الكبيرة في تطبيقات متعددة، منها فحص الشحنات دون استخدام أشعة إكس الضارة، والتواصل فائقة السرعة باستخدام تقنية الـ 6G، بالإضافة إلى الطيف والتحليل للمواد العضوية. ومع ذلك، كانت القياسات الدقيقة لهذه الإشارات تمثل تحدياً تقنياً للباحثين، حيث أن الطبيعة السريعة لترددات التيراهيرتز قد حالت دون تطوير أدوات قياس فعالة في السابق.

العصا السحرية: التوافق الترددي كأداة قياس

تشبه أدوات القياس المعروفة باسم “حواجز التردد” مقاييس دقيقة جداً، حيث يمكن تخيلها كقائمين من الضوء أو الموجات اللاسلكية، تقوم بتحديد تردد إشارة غير معروفة بكثير من الدقة. يُستخدم قياس ترددات التيراهيرتز كمراجع قياسية للعديد من الأدوات، مما يجعل هذه الحواجز ضرورية في الكثير من التطبيقات العلمية.

يُعتبر إنشاء حواجز التردد في نطاق التيراهيرتز مزعجًا بسبب تحديات قياس التذبذبات السريعة. وهذا ما سعى الباحثون إلى حله من خلال استغلال مفهوم الهوائيات الكمومية.

الهوائيات الكمومية: قفزة في القياس الدقيق

استخدم فريق من الباحثين في جامعة وارسو غاز من ذرات الروبيديوم في حالة Rydberg، حيث يمكن اعتبار ذرة Rydberg هي ذرة فقدت إلكترونها الخارجي في مستوى عالٍ جداً من الطاقة. وتعتبر هذه الذرات حساسة للغاية تجاه مجالات الكهرباء، مما يجعلها مثالية لاستخدامها كهوائيات كمومية.

من خلال استخدام الليزر القابل للتعديل، تمكن الباحثون من ضبط حساسية الهوائي للكفاءة العالية استجابة لتردد محدد ضمن نطاق تيراهيرتز. وقد استخدمت الظاهرة المعروفة باسم انقسام Autler-Townes لقياس المجال الكهربائي، مما يوفر نتائج غير محدودة تعتمد فقط على الثوابت الذرية الأساسية.

تقنية التحويل الهجين: تعزز الدقة

لم يتوقف الأمر عند ذلك؛ حيث قام الفريق بتنفيذ تقنية جديدة لتحويل الموجات اللاسلكية إلى ضوء، مما يعزز دقة القياسات. تسمح هذه العملية بتحويل الإشارة التيراهيرتز الضعيفة إلى فوتونات ضوئية يمكن اكتشافها بدقة عالية باستخدام عدادات فوتونية فردية. يتيح هذا النهج الهجين التفاعل بين حساسية اكتشاف الفوتونات وقدرات المعايرة الهائلة، مما يجعل قياسات التيراهيرتز أكثر دقة.

مستقبل القياسات التيراهيرتز

يمثل العمل الذي قام به باحثو جامعة وارسو ليس فقط تطوير أداة قياس حساسة جديدة، بل قاعدة لفتح مجال جديدة في قياس الترددات. انطلاقاً من التطبيقات المستقبلية لتقنية التيراهيرتز وتوسيع نطاق تطبيقاتها في مختلف المجالات، يبدو أن هذا الابتكار سيساهم في تطوير معايير مرجعية تستند إلى ترددات التيراهيرتز باستخدام الهوائيات الكمومية في درجات حرارة عادية. يعتبر الأمر مجزياً ليس فقط على الصعيد الأكاديمي، بل أيضًا على الصعيد الصناعي، إذ يمهد الطريق لتطوير تكنولوجيا جديدة وتحقيق فوائد اقتصادية رائعة.

في الختام، يعد هذا الإنجاز دليلاً على أن مجال الفيزياء الكمومية يمكن أن يقدم حلولاً عملية لمشكلات تقنية وراثية معقدة. ومن الممكن أن يقودنا هذا الاكتشاف إلى آفاق جديدة في طرق القياس والمراقبة، ويعيد تشكيل فهمنا لترددات التيراهيرتز في المستقبل القريب.