ثبت حرکت اتم‌ها و تغییر آرایش الکترون‌ها در مواد، به ابزارهایی نیاز دارد که بتوانند رویدادهای بسیار سریع را با دقت زمانی بالا اندازه‌گیری کنند. بسیاری از تغییرات ساختاری در مواد پیشرفته، به‌ویژه مواد کوانتومی، در بازه‌هایی بسیار کوتاه رخ می‌دهند؛ به‌گونه‌ای که روش‌های تصویربرداری معمولی امکان دنبال‌کردن مراحل وقوع آن‌ها را ندارند. پژوهشگران دانشگاه ایالتی آریزونا (Arizona State University) اکنون با استفاده از یک منبع فشرده پرتو ایکس، موفق شده‌اند تحول زمانی یک ماده کوانتومی را پس از تحریک با لیزر ثبت کنند.
این آزمایش در مرکز علوم پرتو ایکس دانشگاه آریزونا با نام ASU X-Beams انجام شده است. محققان در این مجموعه به توسعه منابع فشرده پرتو ایکس با پالس‌های هرچه کوتاه‌تر مشغول‌اند؛ منابعی که می‌توانند برای بررسی ساختار و حرکت مولکول‌ها در حوزه‌هایی مانند زیست‌پزشکی، نیمه‌رساناها، انرژی‌های تجدیدپذیر و مواد کوانتومی به کار گرفته شوند.
اهمیت این دستاورد در آن است که پژوهشگران توانسته‌اند با ابزار فشرده‌ای به نام منبع نور فشرده پرتو ایکس (Compact X-ray Light Source یا CXLS)، یک آزمایش زمان‌مند درباره پویایی کوانتومی انجام دهند. در این روش، به‌جای ثبت یک تصویر ثابت از ساختار ماده، چندین اندازه‌گیری در زمان‌های متفاوت انجام می‌شود تا بتوان روند تغییرات آن را بازسازی کرد؛ رویکردی که گاهی از آن با عنوان ساخت «فیلمی از حرکت اتم‌ها» یاد می‌شود.
برای درک اهمیت دقت زمانی در این آزمایش، باید توجه داشت که برخی فرایندهای اتمی و الکترونی در مقیاس فمتوثانیه رخ می‌دهند. هر فمتوثانیه برابر با یک میلیون‌میلیاردم ثانیه است. برای تصور این مقیاس، یک ثانیه در مقایسه با یک فمتوثانیه، تقریباً همان نسبتی را دارد که یک ثانیه با ۳۲ میلیون سال دارد. بنابراین، ثبت چنین رویدادهایی به پالس‌های بسیار کوتاه و هماهنگی دقیق میان ابزارهای تحریک و اندازه‌گیری نیاز دارد.
محققان برای آزمایش خود ماده‌ای کوانتومی به نام دی‌سولفید تانتالوم با ساختار ۱T-TaS₂ را انتخاب کردند. این ماده به دلیل رفتار پیچیده الکترون‌ها و توانایی تشکیل الگوهایی منظم از توزیع بار الکتریکی در ساختار بلوری، برای مطالعه تغییرات فاز در مواد کوانتومی اهمیت دارد. در این مواد، الکترون‌ها همیشه به‌صورت مستقل رفتار نمی‌کنند و برهم‌کنش میان آن‌ها می‌تواند الگوهای جمعی و ساختارهای الکترونی خاصی ایجاد کند.
یکی از این ساختارها «موج چگالی بار» (Charge Density Wave) نام دارد. در این حالت، چگالی الکترون‌ها درون شبکه بلوری به شکل الگویی منظم و تکرارشونده تغییر می‌کند. چنین آرایش‌هایی می‌توانند بر ویژگی‌های الکتریکی و فیزیکی ماده اثر بگذارند و به همین دلیل، بررسی چگونگی شکل‌گیری و تغییر آن‌ها برای شناخت رفتار مواد پیشرفته اهمیت دارد.
در آزمایش دانشگاه آریزونا، یک پالس لیزر فروسرخ با طول موج ۸۰۰ نانومتر به نمونه تابانده شد تا آن را به‌سرعت تحریک کند. هم‌زمان، پژوهشگران باید پالس پرتو ایکس را به‌گونه‌ای تنظیم می‌کردند که تقریباً در همان زمان به نمونه برسد. هماهنگی زمانی این دو پرتو در محدوده یک نانوثانیه انجام شد. اگر پرتو ایکس زودتر یا دیرتر از زمان مناسب به نمونه می‌رسید، ممکن بود تغییرات موردنظر پیش از ثبت اندازه‌گیری رخ داده و از دست بروند.
پس از تحریک لیزری، آرایش اتم‌ها و الکترون‌ها در ماده تغییر می‌کند. در دمای اتاق، این ماده در وضعیتی قرار دارد که به آن فاز موج چگالی بار تقریباً هم‌نهشت گفته می‌شود؛ یعنی الگوی توزیع الکترون‌ها تا حد زیادی با ساختار تناوبی بلور هماهنگ است. تحریک لیزری می‌تواند این نظم را برهم بزند و ماده را به وضعیتی نامنظم‌تر و پرانرژی‌تر، موسوم به فاز ناهم‌نهشت، منتقل کند.
پژوهشگران با استفاده از پراش پرتو ایکس، تغییرات ساختار بلوری را در زمان‌های مختلف اندازه‌گیری کردند. در این روش، پرتو ایکس پس از برخورد با نمونه پراکنده می‌شود و الگوی پراش حاصل اطلاعاتی درباره آرایش اتم‌ها و تغییرات ساختاری ماده در اختیار محققان قرار می‌دهد.
نتایج اندازه‌گیری‌ها نشان داد که فاز ناهم‌نهشت جدید به‌صورت ناگهانی و یکپارچه در کل نمونه شکل نمی‌گیرد. در عوض، ابتدا نواحی میکروسکوپی کوچک‌تری از این فاز پدیدار می‌شوند و سپس به‌تدریج با یکدیگر ادغام شده و مناطق بزرگ‌تر و منسجم‌تری را تشکیل می‌دهند. این روند در بازه زمانی چند پیکوثانیه تا چند نانوثانیه دنبال شد. پیکوثانیه برابر با یک‌هزارم نانوثانیه است.
به گفته ساموئل تایتلبام (Samuel Teitelbaum)، استادیار فیزیک دانشگاه آریزونا و متخصص اندازه‌گیری‌های زمان‌مند، این آزمایش امکان مشاهده شکل‌گیری و رشد فاز جدید را فراهم کرده است. چنین اندازه‌گیری‌هایی به پژوهشگران کمک می‌کند بفهمند مواد در برابر تحریک‌های سریع، مانند افزایش ناگهانی دما، چگونه واکنش نشان می‌دهند و چه زمانی ساختار آن‌ها دچار تغییر یا ناپایداری می‌شود.
این موضوع فقط به شناخت رفتار بنیادی مواد محدود نیست. در طراحی قطعات الکترونیکی و نیمه‌رساناها، دانستن اینکه ساختار یک ماده در شرایط تنش حرارتی چگونه تغییر می‌کند، می‌تواند به ارزیابی پایداری و عملکرد آن کمک کند. همچنین، شناخت پویایی الکترون‌ها و تغییرات فاز در مواد کوانتومی می‌تواند در مسیر توسعه نسل‌های آینده حسگرها، حافظه‌ها و فناوری‌های مبتنی بر خواص کوانتومی مفید باشد. بااین‌حال، آزمایش حاضر یک مطالعه بنیادی درباره رفتار ماده است و به‌معنای ساخت یا آزمایش یک قطعه الکترونیکی جدید نیست.
این دستاورد بخشی از برنامه توسعه مرکز ASU X-Beams است که با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا (National Science Foundation) و کمک‌های مالی بخش خصوصی پیش می‌رود. قرار است این مجموعه به یک مرکز ملی کاربری تبدیل شود تا پژوهشگران از دانشگاه‌ها و مؤسسات علمی مختلف بتوانند از امکانات آن برای انجام آزمایش‌های پرتو ایکس استفاده کنند.
برنامه دانشگاه شامل ساخت دو ابزار مکمل است. ابزار نخست، یعنی CXLS، در آزمایش اخیر به کار گرفته شد. ابزار دوم، یک لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس فمتوثانیه‌ای (CXFEL) است که قابلیت تنظیم‌پذیری و سرعت بیشتری خواهد داشت و ساخت آن در جریان است. پیش‌بینی شده است این ابزار در سال ۲۰۲۸ تکمیل شود.
به گفته آروینـدر ساندو (Arvinder Sandhu)، مدیر آزمایشگاه CXFEL و استاد فیزیک دانشگاه آریزونا، هدف این مجموعه ایجاد مرکزی فشرده برای انجام پژوهش‌هایی است که پیش‌تر به منابع بزرگ پرتو ایکس نیاز داشتند. گروهی حدوداً ۸۰ نفره از متخصصان لیزر، علوم رایانه، مهندسی و زیست‌شناسی در توسعه این مرکز مشارکت داشته‌اند.
گام بعدی پژوهشگران، استفاده از این فناوری برای بررسی پویایی ساختاری بلورهای پروتئینی است. این مطالعات می‌توانند به شناخت بهتر پروتئین‌های مرتبط با بیماری‌های انسانی یا پروتئین‌های دارای نقش در فرایندهای انرژی تجدیدپذیر کمک کنند. به این ترتیب، مرکز فشرده پرتو ایکس دانشگاه آریزونا در کنار پژوهش درباره مواد کوانتومی، ظرفیت ورود به حوزه‌های زیستی و انرژی را نیز دنبال می‌کند.
اهمیت این پیشرفت تنها در کوچک‌ترشدن تجهیزات نیست؛ بلکه در گسترش دسترسی به آزمایش‌هایی است که برای مشاهده تغییرات سریع در ساختار مواد به زمان‌بندی بسیار دقیق نیاز دارند. اگر ابزارهای فشرده بتوانند بخشی از توانایی منابع بزرگ پرتو ایکس را با هزینه و زیرساخت کمتر در اختیار پژوهشگران قرار دهند، انجام مطالعات پیشرفته در دانشگاه‌ها و مراکز پژوهشی بیشتری امکان‌پذیر خواهد شد.