קצר יותר, מהר יותר

כאשר בוחנים את אורכם של גלי האור הנראים לעין, מתברר ששום שיכלול טכנולוגי לא יוכל ליצור באמצעותם הבזקים קצרים מפמטו-שנייה.
המפתח להתגברות על מגבלה זו נמצא במערכת יחסי הגומלין שבין אור הלייזר לחומר.

מדענים, כמו ספורטאים, בוחנים את גבולות היכולת האנושית. כמה מהר יכול אדם לרוץ? כמה רחוק? כמה מאמץ הוא יכול לרכז בזמן קצר? ומנגד, עד לאיזו רמה אפשר לתעד ולהבין תהליכים מהירים מאוד?

כאשר, למשל, “תולשים” אלקטרון ממולקולה, מתארגנים האלקטרונים הנותרים מחדש כדי לשמור על שיווי המשקל של המטענים החשמליים במולקולה. כיצד מתבצע הארגון מחדש? תוך כמה זמן הוא מתבצע? בעבר פטרו המדענים את השאלות האלה באמירה, כי לאחר “תלישת” אלקטרון ממולקולה יוצרים האלקטרונים הנותרים “מיד” שיווי משקל חדש. הביטוי “מיד” שיקף את העובדה, שמערכות המעקב אשר עמדו לרשות המדענים הראו היווצרות מיידית של מערך אלקטרונים חדש, ללא שלבי ביניים. אבל העובדה הזאת היא רק עוד דוגמא לדרך שבה מגבלות הטכנולוגיה מגבילות גם את המחקר המדעי.

כדי לעקוב אחר תהליכים מהירים במולקולות, כמו תגובה שבה מולקולה אחת נשברת ונחלקת לשתי מולקולות קטנות יותר, משתמשים המדענים בהבזקי לייזר מהירים, המשמשים להם כמעין “מצלמות” שמצלמות ו”מקפיאות” את התהליכים מולקולריים, כפי שמצלמותיהם של צלמי הספורט מקפיאות שחקני כדורסל מרחפים בדרכם ל”הטבעת” כדור בסל, או כפי שצלמים טכניים מתעדים פגיעה של כדור רובה בכוס זכוכית. ככל שהתהליך הטבעי הנחקר מתחולל במהירות רבה יותר, “מצלמת” הלייזר הנדרשת לצורך “הקפאת” שלבי התהליך חייבת להפיק הבזקי לייזר קצרים ומהירים יותר. במשך מספר שנים היו הלייזרים המהירים ביותר שעמדו לרשות המדענים מסוגלים להפיק הבזקים שנמשכים מספר מיליוניות-מיליארדיות של שנייה (“פמטו שניות”).
מדובר בהבזקים מהירים מאוד, שמאפשרים לחקור תגובות מולקולריות. אבל תנועה של אלקטרונים באטום או במולקולה מתחוללת בפרקי זמן קצרים עוד יותר. כדי לחקור ו”להקפיא” תנועה כזאת, נדרשו “מצלמות” מהירות יותר. וכאן, פחות או יותר, העסק נתקע למשך כמה שנים.”גבול היכולת של הלייזרים נבע מחסם בסיסי”, אומרת ד”ר נירית דודוביץ', שהצטרפה לפני כשנתיים למחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. “הבזק הלייזר הקצר ביותר שאפשר להפיק מוגבל על-ידי אורכו של מחזור אחד של גל האור. כאשר בוחנים את אורכם של גלי האור הנראים לעין, מתברר ששום שיכלול טכנולוגי לא יוכל ליצור באמצעותם הבזקים קצרים מפמטו-שנייה”.

המפתח להתגברות על מגבלה זו נמצא במערכת יחסי הגומלין שבין אור הלייזר לחומר. הניסוי מתחיל בהפעלת הבזקי לייזר רבי עוצמה שמשכם כמה פמטו-שניות. קרינה כזאת, המשוגרת לעבר מולקולות מסוימות, עשויה “לתלוש” את אחד מהאלקטרונים הנעים במולקולה, דבר שיכול לאפשר לאלקטרון “לברוח” ולצאת ל”טיול קצר” – תופעה קוונטית הקרויה “מינהור”. כפי שזה קורה במקרים רבים אחרים בחיים, ה”טיול הקצר” מוביל את האלקטרון בחזרה אל מולקולת האם שלו. כאשר האלקטרון שיצא ל”טיול” חוזר ונכנס למולקולה, הוא גורם בכך לפליטת פוטון (חלקיק אור) באורך גל קצר בהרבה מזה של האור הנראה. כל התהליך מתחולל במשך זמן הקצר יותר מאורך המחזור של גל האור. שיטה זו איפשרה את ייצורם של לייזרים ה”יורים” הבזקים באורך של עשרות “אטו-שניות” (אטו-שנייה היא מיליארדית-מיליארדית של שנייה). לייזרים כאלה מסוגלים לצלם ו”להקפיא” את תנועת האלקטרונים באטומים או במולקולות, דבר שיצר שדה מחקר חדש שבו, באמצעות סדרה מהירה של תצלומים, אפשר לעקוב אחר שינויים במיקום האלקטרונים במערכות שונות. לדוגמא, תיעוד שלבים שונים בתנועותיהם של אלקטרונים בתהליך ההתפרקות מולקולה מסוימת.

אבל ד”ר דודוביץ לקחה את השאלה המחקרית שלה צעד אחד קדימה. “חשבתי”, היא אומרת, “למה להשתמש בלייזר כדי לעקוב אחרי מולקולות אחרות, אם אני יכולה לחקור את התהליך של פליטת האור מהמולקולה שעליה מבוסס הלייזר עצמו”. במילים אחרות, מדובר במעין צילום עצמי. המולקולה שפולטת את הפוטונים המהירים מצלמת את התהליך שבו האלקטרונים שלה עצמה פועלים ונעים במהלך תהליך הפליטה. השאלה שעמדה לפני ד”ר דודוביץ' וחברי קבוצת המחקר שלה היא, כיצד אפשר לגרום לאלקטרונים ה”נתלשים” ש”יוצאים לטיול” לחזור ולפגוע במולקולה או באטום מכיוונים שונים (דבר השקול לצילומים מזוויות שונות המראים חתכים שונים של המולקולה)?

התשובה, שאותה הם מתארים במאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, מתבססת על היכולת לשלוט במסלול האלקטרון לפני חזרתו לאטום. באמצעות שינוי קיטוב הקרינה ש”תולשת” את האלקטרון מהאטום הצליחו המדענים לשלוט בכיוונים שמהם חזרו האלקטרונים מ”טיוליהם”, דבר שמשמעותו צילום של האטום שפולט את אור הלייזר מזוויות שונות, בזמן הפליטה עצמה. שיטה זו דומה במידה מסוימת לדרך הפעולה של מערכות דימות רפואיות שונות. בדרך זו הצליחו ד”ר דודוביץ' וחברי קבוצתה לאפיין את התפלגות האלקטרונים באטום. “בעתיד”, היא אומרת, “אנו שואפים למדוד גם את הזמן, ולשלב אותו עם מדידות מיקומם של האלקטרונים. כך, במקום תמונה מוקפאת, נקבל מעין סרט שמתעד את תנועת האלקטרונים בתהליכים שונים של תגובות כימיות שונות”.