دانشمندان چگونه آنتنی از هوا ساختند که با خاموش‌شدن لیزر ناپدید می‌شود؟

پژوهشگران با یونیزه‌کردن هوا توسط لیزر پرقدرت، موفق شدند رشته‌ای از پلاسما بسازند که مانند یک آنتن رادیویی عمل می‌کند.

به آنتن‌هایی فکر کنید که هر روز از کنارشان می‌گذرید، مثل میله‌ی باریک روی سقف خودرو، دکل‌های بلند پشت‌بام‌ها یا بشقاب‌هایی که رو به آسمان چرخیده‌اند. همه‌شان یک وجه مشترک دارند؛ از فلز ساخته شده‌اند، طبیعتاً وزن دارند و جایی را اشغال می‌کنند.

حالا آنتنی را تصور کنید که با فشار یک دکمه و روشن‌شدن لیزر در هوا شکل می‌گیرد، سیگنال رادیویی می‌فرستد و لحظه‌ای بعد بی‌هیچ ردی ناپدید می‌شود. ماجرا کمی متناقض به نظر می‌رسد، چون هوا یکی از بهترین عایق‌های اطراف ماست و به همین دلیل فاصله‌ی هوایی میان سیم‌های فشارقوی می‌تواند جلوی عبور جریان را بگیرد. اما اگر انرژی کافی به هوا برسد، وضعیت تغییر می‌کند.

بخشی از الکترون‌های مولکول‌های هوا جدا می‌شوند و مخلوطی از یون‌ها و الکترون‌های آزاد به وجود می‌آید که پلاسما نام دارد. پلاسما می‌تواند رفتاری بسیار متفاوت از هوای معمولی داشته باشد و تا حدی مانند یک رسانا عمل کند.

پژوهشگران NC State دقیقاً از همین ویژگی استفاده کردند و با یک لیزر فوق‌العاده پرقدرت، رشته‌ای باریک از پلاسما در هوا ساختند. سپس آزمایش کردند که آیا می‌توان سیگنال رادیویی را روی این رشته به حرکت درآورد و از آن به اطراف تاباند. داستان از خطی بنفش در تاریکی آزمایشگاه شروع می‌شود.

روی میزی در تاریکی آزمایشگاه، خطی باریک و بنفش در هوا به چشم می‌خورد؛ چنان صاف و درخشان که پریا دارشنی، پژوهشگر اصلی پروژه، ظاهرش را به شمشیر نوری جنگ ستارگان تشبیه می‌کند.

شاید در نگاه اول تصور کنید خود پرتو لیزر را می‌بینید، اما چنین نیست. لیزر آزمایش طول‌موجی در حدود ۸۰۰ نانومتر دارد و بخش زیادی از نور آن در محدوده‌ای قرار می‌گیرد که چشم انسان به‌سختی می‌بیند. درخشش بنفش از خود هوا می‌آید.

پالس بسیار شدید لیزر از میان هوا عبور می‌کند و به مولکول‌های آن انرژی می‌دهد. بخشی از مولکول‌ها برانگیخته می‌شوند و هنگام بازگشت به حالت قبلی، نور آبی‌بنفش آزاد می‌کنند. شدت لیزر آن‌قدر زیاد است که الکترون‌های تعدادی از مولکول‌های هوا را جدا می‌کند. در مسیر پرتو، رشته‌ای بسیار باریک از پلاسما شکل می‌گیرد.

شاید فکر کنید پلاسما باید چیز عجیبی باشد، اما نمونه‌هایش را بارها دیده‌ایم. نور داخل لامپ‌های نئون، جرقه‌ی برق و آذرخش همگی با گاز یونیزه‌شده ارتباط دارند. تفاوت آزمایش جدید در شکل پلاسماست. لیزر به‌جای روشن‌کردن گاز درون یک محفظه، رشته‌ای بسیار باریک و کشیده را مستقیم در هوای آزاد می‌سازد.

پالس‌های فوق‌العاده شدید نور، الکترون‌ها را جدا کرده و رشته‌ای باریک از پلاسما می‌سازند

پژوهشگران یک سیگنال رادیویی ۳۰ مگاهرتزی را به وسیله‌ی قطعه‌ای فلزی در نزدیکی رشته به آن منتقل کردند و یک گیرنده را حدود پنج سانتی‌متر دورتر قرار دادند. سپس آزمایش را در دو حالت مقایسه کردند.

وقتی لیزر خاموش بود و رشته‌ی پلاسما وجود نداشت، گیرنده سیگنال ضعیفی ثبت می‌کرد. با روشن‌شدن لیزر و تشکیل رشته، قدرت سیگنال ثبت‌شده به حدود ۲٫۵ برابر رسید. بله، رشته‌ای از هوای یونیزه نقش آنتن را بازی کرده بود.

نتیجه‌ی کار پژوهشگران سپتامبر ۲۰۲۶ در ژورنال IEEE Journal of Microwaves منتشر شد و نویسندگانش آن را نخستین نمایش آنتنی از جنس «رشته‌ی پلاسمای القاشده با لیزر» می‌دانند. فاصله‌ی پنج‌سانتیمتری میان فرستنده و گیرنده نشان می‌دهد که آزمایش هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد و هنوز راهی طولانی در پیش دارد تا به فضا فرستاده شود.

اما آزمایش پرسشی اساسی را از حالت فرضیه خارج کرد. آیا می‌توان به‌جای یک میله‌ی فلزی، بخش اصلی یک آنتن را از هوا ساخت؟

ایده‌ی آنتن لیزری از دغدغه‌ای فضایی متولد شد. پریا دارشنی پیش‌ازاین پروژه چند دوره در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) کار کرده بود و در طراحی آنتن ردیاب یکی از ماموریت‌های بازگشت نمونه از مریخ مشارکت داشت.

در همان سال‌ها ذهنش درگیر برخی سامانه‌های راداری روی ماهواره‌های کوچک شد که برای کار در فرکانس‌های پایین به آنتن‌هایی بلند و قابل‌تنظیم نیاز دارند. دلیل بلندبودن آنتن به رابطه‌ای ساده در فیزیک امواج برمی‌گردد.

فرکانس‌های پایین به آنتن‌های چندمتری نیاز دارند؛ کابوسی بزرگ برای وزن و ابعاد ماهواره‌ها

طول آنتن به طول‌موجی بستگی دارد که می‌فرستد یا دریافت می‌کند. فرکانس پایین‌تر یعنی موج بلندتر و آنتن بلندتر. مثلاً موج ۳۰ مگاهرتزی حدود ۱۰ متر طول دارد و آنتن کلاسیکش به چند متر می‌رسد.

ماهواره‌ای کوچک چنین میله‌ای را هنگام پرتاب به‌صورت جمع‌شده با خود می‌برد و در مدار باز می‌کند؛ کاری که لولا، فنر و سازوکار بازشونده می‌خواهد و هر کدام از این اجزا هم وزنی اضافه می‌کنند و هم احتمال خرابی را بالا می‌برند. تغییر طول آنتن برای پوشش چند فرکانس هم دردسر را دوچندان می‌کند.

پژوهشگران پرسیدند اگر بخش اصلی آنتن به‌جای جسمی جامد از هوا ساخته شود و هر وقت لازم شد، با هر طولی پدید آید، چه می‌شود؟ در این ایده، لیزر رشته‌ای از پلاسما می‌سازد که همان نقشی را بر عهده می‌گیرد که در آنتن معمولی بر عهده‌ی سیم یا میله‌ی فلزی است.

پل فرانزون، استاد مهندسی برق و رایانه‌ی NC State و استاد راهنمای دارشنی، از چشم‌انداز آنتنی سفارشی حرف می‌زند که از سازوکارهای پیچیده‌ی بازشونده بی‌نیاز می‌شود.

پژوهشگران برای ساختن رشته‌ی باریک پلاسما، به لیزری نیاز داشتند که در زمانی بسیار کوتاه شدت بسیار بالایی تولید کند. گروه از یک تقویت‌کننده‌ی لیزری کمک گرفت که در هر ثانیه هزار پالس می‌فرستد. یک فمتوثانیه یعنی یک میلیونیمِ یک میلیاردیم ثانیه؛ بازه‌ای آن‌قدر کوتاه که در ذهنمان نمی‌گنجد.

هر پالس حدود پنج میلی‌ژول انرژی حمل می‌کند. این مقدار انرژی به‌خودی‌خود زیاد نیست، اما همه‌ی آن در زمانی فوق‌العاده کوتاه آزاد می‌شود. به همین دلیل توان لحظه‌ای پالس به حدود ۵۰ گیگاوات می‌رسد.

تاثیر هم‌زمان دو نیروی فیزیکی، کانالی از پلاسما باریک‌تر از تار موی انسان خلق می‌کند

پرتو پس از عبور از عدسی در هوا متمرکز می‌شود و از اینجا به بعد دو اثر مخالف هم‌زمان وارد عمل می‌شوند. شدت زیاد نور باعث می‌شود خود هوا مانند عدسی‌ای نامرئی پرتو را جمع‌تر کند. هرچه پرتو باریک‌تر شود، شدت نور لیزر افزایش می‌یابد.

در نقطه‌ای، شدت به‌اندازه‌ای بالا می‌رود که بعضی مولکول‌های هوا الکترون از دست می‌دهند و پلاسما شکل می‌گیرد. پلاسمای تازه‌تشکیل‌شده اثر معکوس دارد و تمایل دارد پرتو را از هم باز کند. در نتیجه، دو نیرو با هم رقابت می‌کنند؛ هوای اطراف پرتو را متمرکزتر می‌کند و پلاسمای داخل مسیر می‌کوشد آن را پخش کند.

توازن میان دو اثر، کانالی بلند و باریک می‌سازد که فیزیک‌دان‌ها آن را رشته (filament) می‌نامند. رشته‌ی آزمایش NC State حدود ۲۰ سانتی‌متر طول و یک‌دهم میلی‌متر قطر داشت؛ باریک‌تر از تار موی انسان. نکته‌ی مهم اینکه در این مرحله چینش بارها اهمیت دارد، نه نور درخشان و بنفش.

میدان نیرومند نور، الکترون‌های سبک را به لبه‌های رشته می‌راند و یون‌های سنگین‌تر در مرکز می‌مانند. الکترون‌ها روی پوسته‌ی رشته جمع می‌شوند و به همین دلیل رشته شبیه رسانایی بسیار ضعیف عمل می‌کند. پژوهشگران می‌نویسند رشته همه‌ی اجزا و ویژگی‌های لازم برای کار به‌عنوان آنتن را دارد.

وقتی میدان الکتریکی یک سیگنال رادیویی به رشته برسد، این الکترون‌ها شروع به حرکت و نوسان می‌کنند. همین حرکت بار الکتریکی، شرط اصلی برای ایجاد جریان و تابش موج رادیویی است.

توان لحظه‌ای لیزر، الکترون‌ها را به لبه‌های این رشته باریک می‌راند

تا اینجا می‌دانیم که لیزر، رشته‌ای از پلاسما می‌سازد و پلاسما هم الکترون‌های آزاد دارد. اما چرا سیگنال ۳۰ مگاهرتزی می‌تواند روی چنین رشته‌ای حرکت کند؟ به‌خاطر تعداد الکترون‌های آزاد.

الکترون‌های پلاسما می‌توانند در پاسخ به یک میدان الکتریکی حرکت کنند. هرچه تعدادشان بیشتر باشد، پلاسما بهتر می‌تواند به تغییرات سریع میدان واکنش نشان دهد، به همین دلیل فیزیک‌دان‌ها این پدیده را با کمیت فرکانس پلاسما توصیف می‌کنند. فرکانس طبیعی رشته به حدود یک تراهرتز می‌رسد، ده‌ها هزار برابر بالاتر از ۳۰ مگاهرتز.

موجی با فرکانس بسیار پایین‌تر، پلاسما را مانند دیواره‌ای فلزی می‌بیند، در امتداد سطحش سُر می‌خورد و سرانجام به فضای اطراف تابیده می‌شود. البته رسانایی رشته را نمی‌توانیم با رسانایی مس مقایسه کنیم. رشته رفتاری فلزگونه نشان می‌دهد، ولی با رسانایی‌ای بسیار ضعیف‌تر.

وظیفه‌ی لیزر در این میان فقط ساختن رساناست. سیگنال رادیویی از دستگاهی جداگانه می‌آید و رساندنش به رشته، چالش بعدی گروه بود.

در یک آنتن معمولی، کابل فرستنده مستقیما به بخش فلزی آنتن وصل می‌شود. اما اینجا چیزی برای اتصال وجود ندارد. رشته‌ی پلاسما جامد نیست و نمی‌توان سیمی را به آن بست. تماس یک قطعه‌ی فلزی با مسیر لیزر هم می‌تواند تشکیل رشته را مختل کند. گروه باید سیگنال را از فاصله به رشته می‌رساند.

راه‌حل پژوهشگران دو استوانه‌ی کوچک مسی هم محور بود که یکی درون دیگری قرار داشت، هر دو به طول یک سانتی‌متر؛ استوانه‌ی درونی با قطر ۰٫۸ میلی‌متر و استوانه‌ی بیرونی با قطر دو میلی‌متر. لیزر از امتداد محور مشترک آن‌ها عبور می‌کرد و رشته‌ی پلاسما در فضای خالی داخل استوانه‌ی درونی شکل می‌گرفت، با فاصله‌ای امن از دیواره‌ی مسی.

نمی‌توان به یک رشته پلاسمای شناور در هوا سیم متصل کرد؛ تزریق سیگنال باید بی‌تماس باشد

فضای اطراف رشته فایده‌ی عملی هم داشت؛ چون پرتو پرانرژی بدون آسیب به قطعه‌ی مسی متمرکز می‌شد. مولد سیگنال، موج ۳۰ مگاهرتزی را به استوانه‌های مسی می‌فرستاد. این دو استوانه در اطراف رشته یک میدان الکتریکی نوسانی ایجاد می‌کردند.

میدان الکتریکی، الکترون‌های آزاد رشته را به حرکت درمی‌آورد. الکترون‌ها با آهنگ همان سیگنال رادیویی جلو و عقب می‌رفتند و رشته شروع به تابش میدان الکترومغناطیسی می‌کرد. بیایید مکانیزم کار را با هم مرور کنیم.

جزئیات آزمایش حال‌وهوای کارگاهی واقعی را دارد. سیگنال پس از عبور از چند مبدل، با گیره‌های سوسماری و دو سیم قرمز و مشکی به استوانه‌های مسی می‌رسید و کل قطعه روی پایه‌ای عایق نصب شده بود. کارگاه ابزارسازی دانشگاه قطعات را ساخت و پژوهشگران در گزارششان از خلاقیت سازندگان قدردانی کرده‌اند.

سامانه همچنان به قطعه‌ی تغذیه‌ی فلزی متکی است. وجه تمایز این کار به بخش تابشگر برمی‌گردد؛ بخشی که از هوا ساخته می‌شود.

اندازه‌گیری عملکرد این آنتن ساده نبود، چون رشته‌ی پلاسما فقط برای لحظه‌ای بسیار کوتاه وجود داشت. لیزر هزار بار در ثانیه پالس می‌زد و با هر پالس، رشته تشکیل می‌شد و تقریباً بلافاصله از بین می‌رفت. در عمل، آنتن هزار بار در ثانیه ظاهر و ناپدید می‌شد.

آنتنی که هزار بار در ثانیه ظاهر و ناپدید می‌شود، سیگنالی در حد نجوا تولید می‌کند

ابزارهای متداول آزمون آنتن، مانند تحلیل‌گر شبکه و تحلیل‌گر طیف، برای سیگنال‌های پیوسته طراحی شده‌اند و با چنین آهنگ پالسی ناسازگار بودند. پژوهشگران به اسیلوسکوپ رو آوردند. یک آشکارساز نوری لحظه‌ی رسیدن هر پالس را ثبت می‌کرد و اسیلوسکوپ درست در همان بازه به سیگنال گیرنده گوش می‌داد.

گیرنده، آنتنی آزمایشی به طول حدود ۱۲ سانتی‌متر بود که در فاصله‌ی پنج‌سانتیمتری و هم‌جهت با رشته قرار گرفت. اختلاف دو حالت، با رشته و بی‌رشته، در حد ۰٫۳ میلی‌ولت ماند؛ نجوایی الکتریکی که باید با حوصله از نویز جدا می‌شد.

به همین دلیل گروه هر حالت را چند بار تکرار کرد، شکل موج‌ها را میانگین گرفت و نشان داد نوسان‌های پس‌زمینه در هر دو حالت پایدار مانده‌اند. در نهایت، قدرت سیگنال دریافتی با حضور رشته حدود ۲٫۵ برابر شد. این نتیجه نشان می‌داد رشته‌ی پلاسما واقعاً در انتقال انرژی رادیویی نقش دارد، اما هنوز چیزی درباره‌ی برد عملی آنتن نمی‌گفت.

ازسوی‌دیگر گیرنده فقط پنج سانتی‌متر با رشته فاصله داشت، درحالی‌که طول‌موج سیگنال ۳۰ مگاهرتزی حدود ۱۰ متر بود. بنابراین آزمایش در فاصله‌ای بسیار نزدیک به آنتن انجام شد و عملکرد آن در فاصله‌های زیاد باید جداگانه سنجیده شود.

NC State در گزارش خبری‌اش از «نخستین آنتن پرتو پلاسمایی» حرف می‌زند و دارشنی هم با احتیاط کارشان را نخستین نمایش کارکرد آنتن رشته‌ی پلاسمایی می‌داند. تاریخچه‌ی آنتن‌های پلاسمایی اما به چند دهه پیش برمی‌گردد.

از دهه‌ی ۱۹۸۰ پژوهشگران نشان داده بودند موج الکترومغناطیسی می‌تواند روی سطح ستونی از پلاسما پیش برود. در دهه‌های بعد، آنتن‌هایی ساخته شد که گاز درون لوله‌ای شیشه‌ای را یونیزه می‌کرد و با قطع جریان برق، عملاً از صحنه کنار می‌رفت.

این نخستین آنتن پلاسمایی هوای آزاد است که بدون ولتاژ کمکی کار می‌کند

بزرگ‌ترین محدودیت طرح‌های قبلی این بود که لوله‌ی شیشه‌ای، طول و شکل آنتن را ثابت نگه می‌داشت. در عوض رشته‌ی لیزری، پلاسما را از قفس شیشه‌ای بیرون می‌آورد.

پژوهشگران فرانسوی در سال ۲۰۱۲ یک‌قدم جلوتر رفتند و با لیزر، ستونی از پلاسما را مستقیماً در هوای آزاد ساختند. آن‌ها هم تابش رادیویی ثبت کردند، اما برای زنده نگه‌داشتن پلاسما از کویل تسلا، دستگاهی که تخلیه‌های الکتریکی با ولتاژ بسیار بالا تولید می‌کند، کمک گرفتند.

پژوهشگران در مقدمه‌ی مقاله‌ی خود به کار گروه فرانسوی نیز اشاره می‌کنند، اما می‌گویند در آن آزمایش، تخلیه‌ی الکتریکی با ولتاژ بسیار بالای کویل تسلا تشخیص سهم واقعی پلاسما در تولید تابش رادیویی را دشوار می‌کرد. در آزمایش NC State، رشته‌ی لیزری به‌تنهایی و بدون تقویت الکتریکی تغذیه شد. ادعای نخستین با همین قید معنا پیدا می‌کند؛ نخستین نمایش تابش رادیویی از خود رشته‌ی لیزری، با تغذیه‌ای بی‌تماس.

رشته‌ی پلاسمایی آزمایش فقط حدود ۲۰ سانتی‌متر طول داشت، درحالی‌که طول‌موج سیگنال ۳۰ مگاهرتزی نزدیک ۱۰ متر بود. برای ساختن آنتنی کارآمد در چنین فرکانسی، پژوهشگران باید بتوانند رشته‌هایی بسیار بلندتر، احتمالاً در مقیاس چند متر بسازند.

از نظر خود فناوری لیزر، چنین طول‌هایی دور از دسترس نیستند و پژوهشگران در آزمایش‌های دیگر رشته‌های پلاسمایی چندمتری و حتی بسیار بلندتر ساخته‌اند. اما ساختن یک رشته‌ی بلند با ساختن یک آنتن رادیویی کارآمد از همان رشته فرق دارد و هنوز باید جداگانه آزمایش شود.

دارشنی می‌گوید تغییر پارامترهای لیزر می‌تواند ویژگی‌های رشته، ازجمله طول آن را عوض کند. تغییر مسیر پرتو نیز زاویه‌ی رشته را جابه‌جا می‌کند. آنتن در چنین حالتی به‌جای آنکه خم شود یا قطعه‌ای از آن باز شود، در هندسه‌ی تازه‌ای دوباره شکل می‌گیرد.

با تغییر مسیر پرتو لیزر، شکل و جهت آنتن بدون نیاز به هیچ قطعه متحرکی عوض می‌شود

قابلیت تغییر هندسه می‌تواند امکان تنظیم آنتن برای فرکانس‌های مختلف یا تغییر جهت آن را فراهم کند. برای نمونه، مسیر پرتو شاید روزی جهت اسکن رادار را تغییر دهد یا آنتن را به سمتی ببرد که سیگنال قوی‌تری دریافت می‌شود.

پل فرانزون، استاد دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، می‌گوید در مدار پایین زمین هوای کافی برای ساختن پلاسما وجود دارد. اما جو در ارتفاع‌های مداری بسیار رقیق‌تر از سطح زمین است و باید رفتار رشته را در چنین فشاری آزمایش کنند.

پژوهشگران می‌نویسند تحقیقات رشته‌سازی در فشارهای کمتر از یک اتمسفر گامی حیاتی برای کاربردهای فضایی این آنتن خواهد بود. آن‌ها باید پاسخ پرسش‌های دیگری را هم بیابند؛ مثلاً لیزر چقدر انرژی مصرف می‌کند؟ رشته در هوای بسیار رقیق چقدر دوام می‌آورد؟ لیزر و تجهیزات جانبی‌اش چقدر وزن دارد و آیا حذف آنتن فلزی واقعاً دستگاه را سبک‌تر می‌کند؟

نویسندگان ساختن چارچوبی محاسباتی برای این مسئله را بخشی از کارهای آینده می‌دانند و مسیر مهندسی آینده را هم طرح‌ریزی کرده‌اند؛ از تقویت‌کننده‌های کارآمدتر در فرستنده تا گیرنده‌های حساس‌تر و انتقال مؤثرتر انرژی رادیویی به رشته.

خط بنفش ابتدای داستان با مسدودشدن لیزر محو می‌شود. چند لحظه پیش، همان مسیر باریک هوا الکترون‌های آزادی داشت که با سیگنال رادیویی حرکت می‌کردند و میدان تازه‌ای را شکل می‌دادند؛ پس از خاموشی لیزر، چیزی برای جمع‌کردن، تاکردن یا جابه‌جاکردن باقی نمی‌ماند.

شاید پژوهشگران موفق شوند با ادامه‌ی آزمایش‌ها، آنتنی برای تماس‌های دوربرد یا ماهواره‌ها بسازند؛ ولی آزمایش NC State نشان می‌دهد مرز میان هوا و سخت‌افزار می‌تواند به باریکی یک رشته‌ی نور باشد.