علماء في معهد العلوم والتكنولوجيا النمساوي طوروا تقنية باستخدام أشعة ليزر متقاطعة لاصطياد وشحن جزيئات الرذاذ الفردية، مع مراقبة تغيراتها الكهربائية في الوقت الفعلي. هذه الطريقة، المفصلة في Physical Review Letters، تحاكي العمليات داخل سحب العواصف وقد تكشف كيف يبدأ البرق. تكشف الجزيئات المتوهجة فقدان الإلكترونات وانفجارات شحن مفاجئة عبر عملية فوتونين.
باحثون بقيادة طالب الدكتوراه أندريا ستولنر والأستاذ المساعد سكوت وايتوكايتيس في ISTA أنشأوا إعدادًا للملاقط البصرية باستخدام شعاعين ليزر محاذيين بدقة. تتقاطع هذه الأشعة لاحتفاظ بكرة سيليكا شفافة واحدة، نموذج لكريستالات الجليد السحابية، في فخ مستقر داخل حاوية مغلقة. النظام، الذي بُني على مدى نحو أربع سنوات، يحافظ الآن على الجزيئات لأسابيع، تحسين هائل مقارنة بالالتقاطات الأولية لثلاث دقائق قبل عامين.
تشحن الأشعة الليزر الجزيئات المحايدة في البداية عبر عملية فوتونين، حيث تمتص فوتونين في وقت واحد يخرجان إلكترونًا، مما يمنح شحنة إيجابية. مع استمرار التعرض، يشير توهج الجزيء إلى شحن تدريجي، مما يسمح بالتحكم الدقيق بتعديل قوة الليزر. قالت ستولنر: 'يمكننا الآن مراقبة تطور جزيء رذاذ واحد بدقة أثناء شحنه من محايد إلى شديد الشحن وتعديل قوة الليزر للتحكم في المعدل'.
بشكل غير متوقع، تطلق الجزيئات شديدة الشحن شحنتها في انفجارات مفاجئة، مما يشير إلى تفريغ تلقائي مشابه لتلك في السحب الرعدية. تتميز العواصف الرعدية بكريستالات جليد تصطدم وتتبادل الشحنات، مما يؤدي إلى عدم توازن كهربائي والبرق. تتناقش النظريات الحالية حول ما إذا كانت كريستالات الجليد أو الأشعة الكونية توفر الشرارة الأولية، لكن حقول السحب الكهربائية تبدو غير كافية لوحدها. شرحت ستولنر: 'يسمح إعدادنا الجديد باستكشاف نظرية كريستالات الجليد من خلال فحص ديناميكيات شحن الجزيء عن كثب على مر الزمن'.
بينما تكون جزيئات المختبر أصغر من كريستالات الجليد الطبيعية، يأمل الفريق أن تضيء هذه الملاحظات التحريض الكهربائي الجوي الأكبر. تذكرت ستولنر نجاحها الأول: 'أول مرة أمسكت فيها بجزيء، كنت في غيمة سعادة'. تضمن الطاولة المضادة للاهتزاز الدقة، محافظة على أشعة الليزر الخضراء من الاضطرابات.
هذا العمل، المؤلف مشتركًا مع إسحاق لنتون وآخرين، يظهر في Physical Review Letters (2025; 135 (21)). يتقدم فهم دور جزيئات السحب في الطقس الشديد.