3 اکتوبر 2023 کی شام کو ایک اہم اعلان میں، سال 2023 کے لیے فزکس کے نوبل انعام کی نقاب کشائی کی گئی، جس میں تین سائنس دانوں کی شاندار خدمات کو تسلیم کیا گیا جنہوں نے ایٹوسیکنڈ لیزر ٹیکنالوجی کے میدان میں اہم کردار ادا کیا ہے۔

اصطلاح "ایٹوسیکنڈ لیزر" اس کا نام اس ناقابل یقین حد تک مختصر ٹائم اسکیل سے اخذ کیا گیا ہے جس پر یہ کام کرتا ہے، خاص طور پر اٹوس سیکنڈ کی ترتیب میں، جو 10^-18 سیکنڈ کے مساوی ہے۔ اس ٹکنالوجی کی گہری اہمیت کو سمجھنے کے لیے، اس بات کا بنیادی فہم ہونا ضروری ہے کہ اٹوسیکنڈ کیا معنی رکھتا ہے۔ ایک اٹوسیکنڈ وقت کی ایک انتہائی منٹ کی اکائی کے طور پر کھڑا ہوتا ہے، جو ایک سیکنڈ کے وسیع تر تناظر میں ایک سیکنڈ کے اربواں حصہ کا ایک اربواں حصہ بنتا ہے۔ اس کو تناظر میں رکھنے کے لیے، اگر ہم ایک سیکنڈ کو ایک بلند و بالا پہاڑ سے تشبیہ دیں تو ایک اٹوسیکنڈ پہاڑ کی بنیاد پر واقع ریت کے ایک ذرے کے مترادف ہوگا۔ اس وقتی وقتی وقفے میں، روشنی بھی بمشکل ایک انفرادی ایٹم کے سائز کے برابر فاصلہ طے کر سکتی ہے۔ اٹوسیکنڈ لیزرز کے استعمال کے ذریعے، سائنسدانوں نے جوہری ڈھانچے کے اندر الیکٹرانوں کی پیچیدہ حرکیات کی جانچ پڑتال اور ہیرا پھیری کرنے کی بے مثال صلاحیت حاصل کی، جو ایک سنیما ترتیب میں فریم بہ فریم سلو موشن ری پلے کے مترادف ہے، اس طرح ان کے باہمی تعامل میں دلچسپی لیتے ہیں۔

اٹوسیکنڈ لیزرزسائنس دانوں کی وسیع تحقیق اور مشترکہ کوششوں کے اختتام کی نمائندگی کرتے ہیں، جنہوں نے الٹرا فاسٹ لیزرز تیار کرنے کے لیے نان لائنر آپٹکس کے اصولوں کو بروئے کار لایا ہے۔ ان کی آمد نے ہمیں ایٹموں، مالیکیولز اور یہاں تک کہ ٹھوس مادوں میں الیکٹران کے اندر منتقل ہونے والے متحرک عملوں کے مشاہدے اور تلاش کے لیے ایک اختراعی مقام فراہم کیا ہے۔

اٹوسیکنڈ لیزرز کی نوعیت کو واضح کرنے اور روایتی لیزرز کے مقابلے میں ان کی غیر روایتی صفات کی تعریف کرنے کے لیے، وسیع تر "لیزر فیملی" کے اندر ان کی درجہ بندی کو تلاش کرنا ضروری ہے۔ طول موج کے مقامات کے لحاظ سے درجہ بندی بنیادی طور پر الٹرا وائلٹ سے لے کر نرم ایکس رے فریکوئنسی کے اندر ہوتی ہے، جو روایتی لیزرز کے برعکس ان کی خاصی چھوٹی طول موج کی نشاندہی کرتی ہے۔ آؤٹ پٹ موڈز کے لحاظ سے، اٹوسیکنڈ لیزرز پلسڈ لیزرز کے زمرے میں آتے ہیں، جس کی خصوصیت ان کے انتہائی مختصر نبض کے دورانیے سے ہوتی ہے۔ وضاحت کے لیے مشابہت کھینچنے کے لیے، کوئی مسلسل لہروں کے لیزرز کا تصور ایک ٹارچ کی طرح کر سکتا ہے جو روشنی کی ایک مسلسل شعاع خارج کرتی ہے، جب کہ پلسڈ لیزرز اسٹروب لائٹ سے مشابہت رکھتے ہیں، جو روشنی اور تاریکی کے ادوار کے درمیان تیزی سے بدلتے ہیں۔ جوہر میں، اٹوسیکنڈ لیزرز روشنی اور اندھیرے کے اندر ایک دھڑکتے ہوئے رویے کی نمائش کرتے ہیں، پھر بھی ان دونوں ریاستوں کے درمیان ان کی منتقلی حیران کن فریکوئنسی پر ہوتی ہے، جو اٹوسیکنڈ کے دائرے تک پہنچ جاتی ہے۔

پاور کے لحاظ سے مزید درجہ بندی لیزرز کو کم طاقت، درمیانی طاقت، اور زیادہ طاقت والے بریکٹ میں رکھتی ہے۔ اٹوسیکنڈ لیزرز اپنے انتہائی مختصر نبض کے دورانیے کی وجہ سے اونچی چوٹی کی طاقت حاصل کرتے ہیں، جس کے نتیجے میں ایک واضح چوٹی کی طاقت (P) - فی یونٹ وقت (P=W/t) توانائی کی شدت کے طور پر بیان کی جاتی ہے۔ اگرچہ انفرادی اٹوسیکنڈ لیزر دالیں غیر معمولی طور پر بڑی توانائی (W) کی حامل نہیں ہوسکتی ہیں، لیکن ان کی مختصر وقتی حد (t) انہیں بلند ترین طاقت فراہم کرتی ہے۔

ایپلیکیشن ڈومینز کے لحاظ سے، لیزر صنعتی، طبی، اور سائنسی ایپلی کیشنز پر مشتمل ایک سپیکٹرم پر محیط ہیں۔ Attosecond lasers بنیادی طور پر سائنسی تحقیق کے دائرے میں اپنی جگہ تلاش کرتے ہیں، خاص طور پر طبیعیات اور کیمسٹری کے دائروں میں تیزی سے ارتقا پذیر ہونے والے مظاہر کی تلاش میں، جو مائیکرو کاسمک دنیا کے تیز متحرک عمل میں ایک ونڈو پیش کرتے ہیں۔

لیزر میڈیم کے لحاظ سے درجہ بندی لیزرز کو گیس لیزرز، سالڈ سٹیٹ لیزرز، مائع لیزرز، اور سیمی کنڈکٹر لیزرز کے طور پر بیان کرتی ہے۔ اٹوسیکنڈ لیزرز کی نسل عام طور پر گیس لیزر میڈیا پر منحصر ہوتی ہے، جو کہ اعلیٰ ترتیب والے ہارمونکس کو پیدا کرنے کے لیے نان لائنر آپٹیکل اثرات کا فائدہ اٹھاتی ہے۔

خلاصہ میں، اٹوسیکنڈ لیزرز شارٹ پلس لیزرز کی ایک منفرد کلاس تشکیل دیتے ہیں، جو ان کے غیر معمولی طور پر مختصر نبض کے دورانیے سے ممتاز ہوتے ہیں، جو عام طور پر اٹوسیکنڈ میں ماپا جاتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، وہ ایٹموں، مالیکیولز اور ٹھوس مادوں کے اندر الیکٹرانوں کے انتہائی تیز رفتار متحرک عمل کو دیکھنے اور کنٹرول کرنے کے لیے ناگزیر اوزار بن گئے ہیں۔

اٹوسیکنڈ لیزر جنریشن کا وسیع عمل

Attosecond لیزر ٹکنالوجی سائنسی اختراع میں سب سے آگے ہے، جو اپنی نسل کے لیے حالات کے ایک دلچسپ سیٹ پر فخر کرتی ہے۔ اٹوسیکنڈ لیزر جنریشن کی پیچیدگیوں کو واضح کرنے کے لیے، ہم اس کے بنیادی اصولوں کی ایک جامع نمائش کے ساتھ شروع کرتے ہیں، جس کے بعد روزمرہ کے تجربات سے اخذ کردہ واضح استعارے آتے ہیں۔ متعلقہ فزکس کی پیچیدگیوں سے بے خبر قارئین کو مایوسی کی ضرورت نہیں ہے، کیونکہ آنے والے استعاروں کا مقصد اٹوسیکنڈ لیزرز کی بنیادی طبیعیات کو قابل رسائی بنانا ہے۔

اٹوسیکنڈ لیزرز کی نسل کا عمل بنیادی طور پر ہائی ہارمونک جنریشن (HHG) کے نام سے جانے والی تکنیک پر انحصار کرتا ہے۔ سب سے پہلے، زیادہ شدت والی فیمٹوسیکنڈ (10^-15 سیکنڈ) لیزر دال کی ایک شہتیر گیسی ہدف والے مواد پر مضبوطی سے مرکوز ہے۔ یہ بات قابل غور ہے کہ فیمٹوسیکنڈ لیزرز، جو کہ اٹوسیکنڈ لیزرز کے مشابہ ہیں، نبض کے مختصر دورانیے اور اعلیٰ طاقت کے حامل ہونے کی خصوصیات کا اشتراک کرتے ہیں۔ شدید لیزر فیلڈ کے زیر اثر، گیس کے ایٹموں کے اندر موجود الیکٹران لمحہ بہ لمحہ اپنے جوہری مرکز سے آزاد ہو جاتے ہیں، عارضی طور پر آزاد الیکٹران کی حالت میں داخل ہو جاتے ہیں۔ جیسا کہ یہ الیکٹران لیزر فیلڈ کے جواب میں دوہراتے ہیں، وہ آخر کار اپنے پیرنٹ ایٹم نیوکلی میں واپس آتے ہیں اور ان کے ساتھ دوبارہ مل جاتے ہیں، جس سے نئی ہائی انرجی سٹیٹس بنتی ہیں۔

اس عمل کے دوران، الیکٹران انتہائی تیز رفتاری سے حرکت کرتے ہیں، اور جوہری مرکز کے ساتھ دوبارہ ملاپ کے بعد، وہ ہائی ہارمونک اخراج کی صورت میں اضافی توانائی خارج کرتے ہیں، جو کہ اعلیٰ توانائی والے فوٹون کے طور پر ظاہر ہوتے ہیں۔

ان نئے پیدا ہونے والے ہائی انرجی فوٹونز کی فریکوئنسی اصل لیزر فریکوئنسی کے انٹیجر ملٹیپلز ہیں، جس کو ہائی آرڈر ہارمونکس کہا جاتا ہے، جہاں "ہارمونکس" تعدد کو ظاہر کرتا ہے جو اصل فریکوئنسی کے لازمی ضرب ہیں۔ اٹوسیکنڈ لیزرز کو حاصل کرنے کے لیے، ان ہائی آرڈر ہارمونکس کو فلٹر کرنا اور ان پر فوکس کرنا، مخصوص ہارمونکس کا انتخاب کرنا اور انہیں ایک فوکل پوائنٹ میں مرکوز کرنا ضروری ہو جاتا ہے۔ اگر چاہیں تو، نبض کمپریشن کی تکنیک نبض کی مدت کو مزید مختصر کر سکتی ہے، جس سے اٹوسیکنڈ کی حد میں انتہائی مختصر دالیں ملتی ہیں۔ ظاہر ہے، اٹوسیکنڈ لیزرز کی نسل ایک نفیس اور کثیر جہتی عمل کی تشکیل کرتی ہے، جس میں اعلیٰ درجے کی تکنیکی صلاحیتوں اور خصوصی آلات کی ضرورت ہوتی ہے۔

اس پیچیدہ عمل کو غیر واضح کرنے کے لیے، ہم روزمرہ کے حالات میں ایک استعاراتی متوازی بنیاد پیش کرتے ہیں:

ہائی انٹینسٹی فیمٹوسیکنڈ لیزر دالیں:

ایک غیر معمولی طاقتور کیٹپلٹ کا تصور کریں جو فوری طور پر زبردست رفتار سے پتھر پھینکنے کی صلاحیت رکھتا ہے، جو کہ ہائی انٹینٹی فیمٹوسیکنڈ لیزر دالوں کے کردار کے مترادف ہے۔

گیسی ٹارگٹ میٹریل:

پانی کے ایک پرسکون جسم کی تصویر بنائیں جو گیسی ہدف والے مواد کی علامت ہے، جہاں پانی کا ہر قطرہ ہزارہا گیس کے ایٹموں کی نمائندگی کرتا ہے۔ پانی کے اس جسم میں پتھروں کو آگے بڑھانے کا عمل یکساں طور پر گیسی ہدف والے مواد پر تیز شدت والے فیمٹوسیکنڈ لیزر دالوں کے اثرات کی عکاسی کرتا ہے۔

الیکٹران موشن اور ری کنبینیشن (جسمانی طور پر اصطلاحی منتقلی):

جب فیمٹوسیکنڈ لیزر دالیں گیسی ہدف والے مواد کے اندر گیس کے ایٹموں پر اثر انداز ہوتی ہیں، تو بیرونی الیکٹرانوں کی ایک خاصی تعداد لمحہ بہ لمحہ ایسی حالت میں پرجوش ہوتی ہے جہاں وہ اپنے متعلقہ ایٹم نیوکللی سے الگ ہو کر پلازما جیسی حالت بناتی ہے۔ جیسا کہ بعد میں نظام کی توانائی کم ہوتی جاتی ہے (چونکہ لیزر کی دالیں فطری طور پر نبض ہوتی ہیں، جس میں وقفے کے وقفے ہوتے ہیں)، یہ بیرونی الیکٹران اعلی توانائی والے فوٹان جاری کرتے ہوئے، جوہری مرکزے کے قریب واپس آتے ہیں۔

ہائی ہارمونک جنریشن:

تصور کریں کہ جب بھی پانی کی بوند جھیل کی سطح پر واپس آتی ہے، تو اس سے لہریں پیدا ہوتی ہیں، جیسے کہ اٹوسیکنڈ لیزر میں ہائی ہارمونکس۔ ان لہروں میں پرائمری فیمٹوسیکنڈ لیزر پلس کی وجہ سے اصل لہروں سے زیادہ تعدد اور طول و عرض ہوتے ہیں۔ HHG عمل کے دوران، ایک طاقتور لیزر بیم، جو مسلسل پتھر پھینکنے کے مترادف ہے، گیس کے ہدف کو روشن کرتی ہے، جو جھیل کی سطح سے مشابہ ہے۔ یہ شدید لیزر فیلڈ گیس میں الیکٹرانوں کو، لہروں کے مشابہ، ان کے بنیادی ایٹموں سے دور کرتا ہے اور پھر انہیں پیچھے کھینچتا ہے۔ ہر بار جب کوئی الیکٹران ایٹم پر واپس آتا ہے، تو یہ ایک اعلی تعدد کے ساتھ ایک نئی لیزر بیم خارج کرتا ہے، جو کہ زیادہ پیچیدہ لہروں کے نمونوں کی طرح ہوتا ہے۔

فلٹرنگ اور فوکسنگ:

ان تمام نئے پیدا ہونے والے لیزر بیم کو ملانے سے مختلف رنگوں (تعدد یا طول موج) کا ایک سپیکٹرم حاصل ہوتا ہے، جن میں سے کچھ اٹوسیکنڈ لیزر کی تشکیل کرتے ہیں۔ مخصوص لہروں کے سائز اور تعدد کو الگ تھلگ کرنے کے لیے، آپ ایک مخصوص فلٹر لگا سکتے ہیں، جو کہ مطلوبہ لہروں کو منتخب کرنے کے مترادف ہے، اور ایک میگنفائنگ گلاس کا استعمال کر کے انہیں کسی مخصوص علاقے پر مرکوز کر سکتے ہیں۔

نبض کمپریشن (اگر ضروری ہو):

اگر آپ کا مقصد لہروں کو تیز اور چھوٹا پھیلانا ہے، تو آپ ایک خصوصی ڈیوائس کا استعمال کرتے ہوئے ان کے پھیلاؤ کو تیز کر سکتے ہیں، ہر لہر کے چلنے کے وقت کو کم کر کے۔ اٹوسیکنڈ لیزرز کی نسل میں عمل کا ایک پیچیدہ تعامل شامل ہے۔ تاہم، جب ٹوٹ کر تصور کیا جائے تو یہ زیادہ قابل فہم ہو جاتا ہے۔