فیمٹوسیکنڈ لیزر

A femtosecond لیزرایک "الٹرا شارٹ پلس لائٹ" پیدا کرنے والا آلہ ہے جو صرف ایک گیگا سیکنڈ کے الٹرا شارٹ وقت کے لیے روشنی خارج کرتا ہے۔ Fei Femto کا مخفف ہے، بین الاقوامی نظام اکائیوں کا سابقہ، اور 1 femtosecond = 1×10^-15 سیکنڈز۔ نام نہاد نبض والی روشنی صرف ایک لمحے کے لیے روشنی خارج کرتی ہے۔ کیمرے کے فلیش کا روشنی خارج کرنے کا وقت تقریباً 1 مائیکرو سیکنڈ ہے، اس لیے فیمٹوسیکنڈ کی الٹرا شارٹ پلس لائٹ اپنے وقت کے تقریباً ایک اربویں حصے کے لیے ہی روشنی خارج کرتی ہے۔ جیسا کہ ہم سب جانتے ہیں، روشنی کی رفتار 300,000 کلومیٹر فی سیکنڈ ہے (1 سیکنڈ میں زمین کے گرد ساڑھے 7 حلقے) ایک بے مثال رفتار سے، لیکن 1 فیمٹوسیکنڈ میں، روشنی بھی صرف 0.3 مائیکرون آگے بڑھتی ہے۔

اکثر، فلیش فوٹو گرافی کے ذریعے ہم کسی حرکت پذیر چیز کی لمحاتی حالت کو کاٹ سکتے ہیں۔ اسی طرح، اگر فیمٹوسیکنڈ لیزر کو چمکایا جاتا ہے، تو یہ ممکن ہے کہ کیمیائی رد عمل کے ہر ٹکڑے کو دیکھا جا سکے یہاں تک کہ یہ پرتشدد رفتار سے آگے بڑھتا ہے۔ اس مقصد کے لیے، فیمٹوسیکنڈ لیزر کا استعمال کیمیائی رد عمل کے اسرار کا مطالعہ کرنے کے لیے کیا جا سکتا ہے۔
عام کیمیائی رد عمل اعلی توانائی کے ساتھ ایک درمیانی حالت سے گزرنے کے بعد کیا جاتا ہے، جسے "فعال حالت" کہا جاتا ہے۔ ایک فعال ریاست کے وجود کی نظریاتی طور پر کیمیا دان آرہینیئس نے 1889 کے اوائل میں پیش گوئی کی تھی، لیکن اس کا براہ راست مشاہدہ نہیں کیا جا سکتا کیونکہ یہ بہت کم وقت کے لیے موجود ہے۔ لیکن اس کا وجود 1980 کی دہائی کے اواخر میں فیمٹوسیکنڈ لیزرز کے ذریعے براہ راست ظاہر کیا گیا تھا، یہ اس بات کی ایک مثال ہے کہ فیمٹوسیکنڈ لیزرز کے ساتھ کیمیائی رد عمل کی نشاندہی کیسے کی جا سکتی ہے۔ مثال کے طور پر، cyclopentanone انو کاربن مونو آکسائیڈ اور 2 ethylene molecules میں فعال حالت سے گل جاتا ہے۔
Femtosecond lasers اب وسیع پیمانے پر شعبوں جیسے طبیعیات، کیمسٹری، لائف سائنسز، طب اور انجینئرنگ میں بھی استعمال ہوتے ہیں، خاص طور پر روشنی اور الیکٹرانکس میں۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ روشنی کی شدت آپٹیکل کمیونیکیشن کو مزید تیز کرتے ہوئے، تقریباً بغیر کسی نقصان کے بڑی مقدار میں معلومات کو ایک جگہ سے دوسری جگہ منتقل کر سکتی ہے۔ نیوکلیئر فزکس کے میدان میں، فیمٹوسیکنڈ لیزرز نے بہت بڑا اثر ڈالا ہے۔ چونکہ پلسڈ لائٹ میں بہت مضبوط برقی میدان ہوتا ہے، اس لیے یہ ممکن ہے کہ الیکٹرانوں کو روشنی کی رفتار کے قریب 1 فیمٹوسیکنڈ کے اندر تیز کیا جائے، اس لیے اسے الیکٹرانوں کو تیز کرنے کے لیے ایک "سرعت کار" کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔

طب میں درخواست
جیسا کہ اوپر بتایا گیا ہے کہ فیمٹوسیکنڈ دنیا میں بھی روشنی کو منجمد کر دیا جاتا ہے تاکہ وہ زیادہ دور تک سفر نہیں کر سکتی، لیکن اس وقت کے پیمانے پر بھی ایٹم، مادے میں مالیکیولز اور کمپیوٹر چپس کے اندر موجود الیکٹران سرکٹس میں حرکت کر رہے ہیں۔ اگر فیمٹوسیکنڈ پلس کو فوری طور پر روکنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، تو مطالعہ کریں کہ کیا ہوتا ہے۔ رکنے کے لیے چمکتے وقت کے علاوہ، فیمٹوسیکنڈ لیزر دھات میں 200 نینو میٹر (ایک ملی میٹر کا 2/10,000 واں) قطر تک چھوٹے سوراخ کرنے کے قابل ہیں۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ الٹرا شارٹ پلسڈ لائٹ جو کم وقت میں کمپریسڈ اور اندر بند ہو جاتی ہے انتہائی ہائی آؤٹ پٹ کا حیرت انگیز اثر حاصل کرتی ہے، اور اردگرد کو اضافی نقصان نہیں پہنچاتی۔ مزید برآں، فیمٹوسیکنڈ لیزر کی نبض والی روشنی اشیاء کی انتہائی عمدہ سٹیریوسکوپک تصاویر لے سکتی ہے۔ سٹیریوسکوپک امیجنگ طبی تشخیص میں بہت مفید ہے، اس طرح تحقیق کا ایک نیا شعبہ کھلتا ہے جسے آپٹیکل انٹرفیس ٹوموگرافی کہتے ہیں۔ یہ زندہ بافتوں اور زندہ خلیوں کی ایک سٹیریوسکوپک تصویر ہے جو فیمٹوسیکنڈ لیزر کے ساتھ لی گئی ہے۔ مثال کے طور پر، روشنی کی ایک بہت ہی مختصر نبض کا مقصد جلد کی طرف ہوتا ہے، نبض والی روشنی جلد کی سطح سے منعکس ہوتی ہے، اور نبض شدہ روشنی کا ایک حصہ جلد میں داخل کیا جاتا ہے۔ جلد کا اندرونی حصہ کئی تہوں پر مشتمل ہوتا ہے، اور جلد میں داخل ہونے والی نبض والی روشنی ایک چھوٹی نبض والی روشنی کے طور پر واپس آ جاتی ہے، اور جلد کی اندرونی ساخت کو منعکس روشنی میں ان مختلف نبض شدہ روشنی کی بازگشت سے معلوم کیا جا سکتا ہے۔
اس کے علاوہ، اس ٹیکنالوجی کو امراض چشم میں بہت زیادہ افادیت حاصل ہے، جو آنکھ کی گہرائی میں ریٹینا کی سٹیریوسکوپک تصاویر لینے کی صلاحیت رکھتی ہے۔ یہ ڈاکٹروں کو یہ تشخیص کرنے کی اجازت دیتا ہے کہ آیا ان کے ٹشو میں کوئی مسئلہ ہے یا نہیں۔ اس قسم کا امتحان صرف آنکھوں تک محدود نہیں ہے۔ اگر آپٹیکل فائبر کے ساتھ لیزر کو جسم میں بھیجا جائے تو جسم کے مختلف اعضاء کے تمام ٹشوز کی جانچ ممکن ہے، اور یہ بھی معلوم کرنا ممکن ہے کہ آیا یہ مستقبل میں کینسر بن گیا ہے۔

انتہائی عین مطابق گھڑی کا نفاذ
سائنسدانوں کا خیال ہے کہ اگر ایکfemtosecond لیزرگھڑی کو نظر آنے والی روشنی کا استعمال کرتے ہوئے بنایا گیا ہے، یہ ایٹمی گھڑیوں سے زیادہ درست طریقے سے وقت کی پیمائش کر سکے گی، اور یہ آنے والے برسوں کے لیے دنیا کی سب سے درست گھڑی ہوگی۔ اگر گھڑی درست ہے، تو کار نیویگیشن کے لیے استعمال ہونے والے GPS (گلوبل پوزیشننگ سسٹم) کی درستگی بھی بہت بہتر ہو جاتی ہے۔
نظر آنے والی روشنی ایک عین مطابق گھڑی کیوں بنا سکتی ہے؟ تمام گھڑیاں اور گھڑیاں پینڈولم اور گیئر کی حرکت سے الگ نہیں ہوسکتی ہیں، اور کمپن فریکوئنسی کے ساتھ پینڈولم کے دوغلے کے ذریعے، گیئر سیکنڈوں کے لیے گھومتا ہے، اور ایک درست گھڑی بھی اس سے مستثنیٰ نہیں ہے۔ لہذا، زیادہ درست گھڑی بنانے کے لیے، زیادہ کمپن فریکوئنسی والا پینڈولم استعمال کرنا ضروری ہے۔ کوارٹج گھڑیاں (وہ گھڑیاں جو پینڈولم کی بجائے کرسٹل کے ساتھ چلتی ہیں) پینڈولم گھڑیوں سے زیادہ درست ہوتی ہیں کیونکہ کوارٹج ریزونیٹر فی سیکنڈ میں زیادہ بار دوڑتا ہے۔
سیزیم اٹامک کلاک، جو کہ اب وقت کا معیار ہے، تقریباً 9.2 گیگا ہرٹز (بین الاقوامی یونٹ گیگا کا سابقہ، 1 گیگا = 10^9) کی فریکوئنسی پر گھومتی ہے۔ اٹامک کلاک سیزیم ایٹموں کی قدرتی دولن فریکوئنسی کا استعمال کرتی ہے تاکہ پینڈولم کو مائیکرو ویوز سے بدلنے کے لیے اسی دولن فریکوئنسی کے ساتھ، اور اس کی درستگی دسیوں کروڑوں سالوں میں صرف 1 سیکنڈ ہے۔ اس کے برعکس، نظر آنے والی روشنی میں مائیکرو ویوز کی نسبت 100,000 سے 1,000,000 گنا زیادہ دوغلی فریکوئنسی ہوتی ہے، یعنی ایک درست گھڑی بنانے کے لیے مرئی روشنی کی توانائی کا استعمال کرتے ہوئے جو ایٹمی گھڑیوں سے لاکھوں گنا زیادہ درست ہے۔ نظر آنے والی روشنی کا استعمال کرنے والی دنیا کی سب سے درست گھڑی اب لیبارٹری میں کامیابی کے ساتھ بنائی گئی ہے۔
اس عین گھڑی کی مدد سے آئن سٹائن کے نظریہ اضافیت کی تصدیق کی جا سکتی ہے۔ ہم نے ان عین مطابق گھڑیوں میں سے ایک کو تجربہ گاہ میں اور دوسری کو نیچے کے دفتر میں رکھا، اس بات پر غور کرتے ہوئے کہ کیا ہو سکتا ہے، ایک یا دو گھنٹے کے بعد نتیجہ وہی نکلا جیسا کہ آئن سٹائن کے نظریہ اضافیت کی پیش گوئی کی گئی تھی، جس کی وجہ سے دونوں مختلف "کشش ثقل کے شعبے" ہیں۔ "منزلوں کے درمیان، دو گھڑیاں اب ایک ہی وقت کی طرف اشارہ نہیں کرتیں، اور نیچے کی گھڑی اوپر والی گھڑی سے آہستہ چلتی ہے۔ زیادہ درست گھڑی کے ساتھ، شاید اس دن کلائی اور ٹخنے کا وقت بھی مختلف ہو۔ ہم صرف درست گھڑیوں کی مدد سے اضافیت کے جادو کا تجربہ کر سکتے ہیں۔

ہلکی رفتار سست کرنے والی ٹیکنالوجی
1999 میں، ریاستہائے متحدہ میں ہبارڈ یونیورسٹی کے پروفیسر رینر ہووے نے کامیابی کے ساتھ روشنی کو 17 میٹر فی سیکنڈ تک کم کیا، ایک ایسی رفتار جسے ایک کار پکڑ سکتی ہے، اور پھر کامیابی کے ساتھ اس سطح تک کم ہو گئی جسے ایک سائیکل بھی پکڑ سکتی ہے۔ اس تجربے میں طبیعیات کی سب سے جدید تحقیق شامل ہے، اور یہ مضمون تجربے کی کامیابی کے لیے صرف دو کنجیوں کا تعارف کرایا گیا ہے۔ ایک یہ ہے کہ سوڈیم ایٹموں کا "بادل" انتہائی کم درجہ حرارت پر مطلق صفر (-273.15 ° C) کے قریب بنانا ہے، ایک خاص گیس کی حالت جسے بوس-آئنسٹائن کنڈینسیٹ کہتے ہیں۔ دوسرا ایک لیزر ہے جو کمپن فریکوئنسی (کنٹرول کے لیے لیزر) کو ماڈیول کرتا ہے اور اس کے ساتھ سوڈیم ایٹموں کے بادل کو روشن کرتا ہے، اور اس کے نتیجے میں، ناقابل یقین چیزیں ہوتی ہیں۔
سائنسدانوں نے سب سے پہلے کنٹرول لیزر کا استعمال ایٹموں کے بادل میں نبض شدہ روشنی کو کمپریس کرنے کے لیے کیا، اور اس کی رفتار انتہائی کم ہو جاتی ہے۔ اس وقت، کنٹرول لیزر بند کر دیا جاتا ہے، پلس لائٹ غائب ہو جاتی ہے، اور پلس لائٹ پر لی جانے والی معلومات کو ایٹموں کے بادل میں محفوظ کیا جاتا ہے۔ . پھر اسے کنٹرول لیزر سے شعاع کیا جاتا ہے، نبض والی روشنی بحال ہو جاتی ہے، اور یہ ایٹموں کے بادل سے باہر نکل جاتی ہے۔ لہذا اصل میں کمپریسڈ نبض کو دوبارہ کھینچا جاتا ہے اور رفتار بحال ہوجاتی ہے۔ ایٹم کلاؤڈ میں پلسڈ لائٹ کی معلومات داخل کرنے کا پورا عمل کمپیوٹر میں پڑھنے، ذخیرہ کرنے اور دوبارہ ترتیب دینے جیسا ہی ہے، اس لیے یہ ٹیکنالوجی کوانٹم کمپیوٹرز کے حصول کے لیے مددگار ہے۔

دنیا "femtosecond" سے "attosecond" تک
فیمٹو سیکنڈزہمارے تصور سے باہر ہیں. اب ہم اٹوس سیکنڈز کی دنیا میں واپس آ گئے ہیں، جو فیمٹوسیکنڈز سے چھوٹے ہیں۔ A SI سابقہ ​​atto کا مخفف ہے۔ 1 اٹوسیکنڈ = 1 × 10^-18 سیکنڈز = فیمٹوسیکنڈ کا ایک ہزارواں حصہ۔ اٹوسیکنڈ کی دالیں مرئی روشنی کے ساتھ نہیں بنائی جا سکتیں کیونکہ نبض کو چھوٹا کرنے کے لیے روشنی کی چھوٹی طول موج کا استعمال کیا جانا چاہیے۔ مثال کے طور پر، سرخ نظر آنے والی روشنی سے دالیں بنانے کی صورت میں، دالوں کو اس طول موج سے چھوٹا بنانا ناممکن ہے۔ مرئی روشنی کی حد تقریباً 2 فیمٹوسیکنڈز ہوتی ہے، جس کے لیے اٹوسیکنڈ کی دالیں چھوٹی طول موج کی ایکس رے یا گاما شعاعیں استعمال کرتی ہیں۔ اٹوسیکنڈ ایکس رے دالوں کا استعمال کرتے ہوئے مستقبل میں کیا دریافت کیا جائے گا یہ واضح نہیں ہے۔ مثال کے طور پر، بائیو مالیکیولز کو دیکھنے کے لیے اٹوسیکنڈ فلشز کا استعمال ہمیں انتہائی مختصر وقت کے پیمانے پر ان کی سرگرمی کا مشاہدہ کرنے کے قابل بناتا ہے، اور شاید حیاتیاتی مالیکیولز کی ساخت کا تعین کر سکتا ہے۔