‫מכונת הרנטגן המופלאה / נורה בֶּרָה ופיליפ ה’ בוקסבאום

מה שהתחיל כרעיון לבניית כלי נשק לפרויקט “מלחמת הכוכבים,” כדי להתמודד עם איומי הטילים של עידן שנות ה-80 של המאה שעברה, מתפקד היום כמיקרוסקופ חסר תקדים בעוצמתו, המסוגל ליצור צורות אקזוטיות של חומר שאי אפשר למצוא בשום מקום אחר ביקום

אם תציבו אטום, מולקולה או גרגר אבק בַּמוקד של הלייזר רב העוצמה ביותר ביקום הפועל על קרני רנטגן, לא יהיה להם שום סיכוי. הקרינה תחמם את החומר תוך פחות מביליונית השנייה לטמפרטורות גבוהות יותר ממיליון מעלות קלווין, הטמפרטורה השוררת בעטרת השמש. אטומי ניאון, למשל, שנחשפו לקרינה קיצונית כל כך, איבדו במהירות הבזק את כל עשרת האלקטרונים שלהם, וברגע שאיבדו את גלימת האלקטרונים שהגנה עליהם, הם ניתזו הלאה מן האטומים הסמוכים. בעיניהם של פיזיקאים, מסלול ההרס צופן בחובו קסם מוזר.

התהליך הזה מעורר השתאות, מכיוון שהלייזר גורם לאלקטרונים לעזוב את האטום מבפנים החוצה. האלקטרונים, המקיפים את גרעין האטום בקליפות דמויות בצל, או אורביטלים, אינם מגיבים כולם באופן אחיד לאלומת קרני הרנטגן. הקליפות החיצוניות כמעט שקופות לקרני רנטגן, ולכן הקליפה הפנימית היא שסופגת את עיקר הקרינה, בערך כמו שקפה בתנור מיקרוגל מתחמם הרבה לפני הספל שמכיל אותו. שני האלקטרונים שבקליפה הפנימית ביותר נורים החוצה, ומותירים מאחוריהם חלל ריק; האטום נעשה חלול. תוך כמה פֶמְטוֹ-שניות (מיליונית של מיליארדית של שנייה), אלקטרונים אחרים נמשכים פנימה ומחליפים את האלקטרונים שאבדו, והמחזור הזה, של היווצרות אורביטל ריק בליבת האטום ומילויו באלקטרונים חיצוניים ממשיך עד שכבר לא נותרים עוד אלקטרונים. התהליך הזה מתרחש גם במולקולות יחידות וגם בחומר מוצק.

מצב החומר האקזוטי שנוצר כתוצאה מכך אינו מחזיק מעמד יותר מכמה פֶמְטוֹ-שניות. במוצקים, הוא מתפרק למצב מיונן, פלזמה, המכונה חומר דחוס חם, שבדרך כלל אפשר למצוא רק בתנאים קיצוניים כמו בכורי מיזוג גרעיני ובליבות של כוכבי לכת ענקיים. לסביבה קצרת הימים אך הקיצונית השוררת במוקד אלומת קרני לייזר רנטגן אין אח ורע על פני כדור הארץ.

לייזר הרנטגן עצמו ראוי לציון לא פחות מן התופעה האקזוטית שהוא חושף. ההתקן, הקרוי “מקור אור קוהרנטי במאיץ קווי” (Linac Coherent Light Source, LCLS) פועל במעבדת המאיץ הלאומית האמריקנית שבאוניברסיטת סטנפורד בארה”ב (SLAC). המתקן מעורר זיכרונות ממערכת ההגנה נגד טילים מתקופת שנות ה-80 של המאה שעברה, “מלחמת הכוכבים,” שחסידיה הציעו להשתמש בקרני לייזר בתחום גלי הרנטגן כדי ליירט טילים בליסטיים ולוויינים. אבל קיומו של לייזר הרנטגן הזה, המציאותי, נזקף הרבה יותר לזכותם של מאיצי החלקיקים הגדולים שפותחו בערך באותם ימים כדי לרסק אטומים. התקן הלייזר בקרני רנטגן הוא למעשה הַסַבָה למטרה חדשה של אחד ממאיצי החלקיקים החשובים של ארה”ב, המאיץ הקווי SLAC, שהופעל על ידי אוניברסיטת סטנפורד בעבור משרד האנרגיה של ארה”ב. המכונה הזאת הפיקה הרבה מן התגליות ומפרסי הנובל שהותירו את ארה”ב בחוד החנית של פיזיקת החלקיקים האלמנטריים במשך עשרות שנים. מאז הסבתו באוקטובר 2009, ללייזר הרנטגן LCLS, הוא ממלא בעבור הפיזיקה האטומית, פיזיקת הפלזמה, הכימיה, פיזיקת המצב המעובה והביולוגיה, את התפקיד שמאיץ ההדרונים הגדול (LHC), שבמעבדת CERN על יד ז’נבה, ממלא בעבור פיזיקת החלקיקים האלמנטריים: הוא מספק דרך שבה אפשר להטיח את אבני הבניין של הטבע אלו באלו באנרגיות אדירות, ואגב כך ליצור צורות חדשות של חומר, כמו אטומים חלולים, או פשוט להתבונן מקרוב מאוד בממלכה הקוונטית כמו באמצעות מיקרוסקופ מהיר ורב עוצמה. פולסי הרנטגן של LCLS יכולים להיות קצרים כל כך (פֶמְטוֹ-שניות יחידות) עד שהם מקפיאים את תנועתם של אטומים, ומאפשרים לפיזיקאים לצפות במהלכן של תגובות כימיות בזמן אמת. הפולסים הם גם בוהקים מאוד, ומאפשרים לנו לדמות חלבונים ומולקולות ביולוגיות אחרות שהיה קשה מאוד לחקור עד כה באמצעות מקורות רנטגן אחרים.

צללי אטומים

לייזר הרנטגן מאחד שניים מן הכלים העיקריים המשמשים את הפיזיקאים הנסיינים בימינו: מקורות אור סינכרוטרוניים ולייזרי פולסים בתדירויות-על. סינכרוטרונים הם מאיצי חלקיקים הבנויים כמו מסלולי מירוצים. אלקטרונים הנעים בתוכם במעגל יורים החוצה קרני רנטגן, שנכנסות למכשירים הממוקמים מסביב למעגל ומאורגנים כמו כנפיים של שבשבת נייר. נורה בֶּרָה, אחת ממחברות המאמר הזה, הקדישה את הקריירה שלה לשימוש בקרינת רנטגן סינכרוטרונית כדי לחקור את הקרביים העמוקים של אטומים, מולקולות ומערכות-ננו. קרינת רנטגן אידאלית למטרה זו. אורכי הגל שלה הם מסדר גודל של אטומים, ולכן אטומים מטילים צל כשמאירים עליהם באלומת קרני רנטגן. כמו כן, אפשר לכוונן קרני רנטגן כך שיוכלו לזהות סוגים מסוימים של אטומים – למשל, רק אטומי ברזל – ולראות היכן הם ממוקמים בתוך מוצק או בתוך מולקולה גדולה כמו המוגלובין. (הברזל הוא שאחראי לצבע האדום של הדם.)

ואולם, יש דבר שקרינת רנטגן סינכרוטרונית אינה מסוגלת לעשות: לעקוב אחר תנועה של אטומים בתוך מולקולה או גוף מוצק. כל מה שאנחנו רואים הוא עננה עמומה; הפולסים ארוכים מדי או לא בוהקים דיים. מקור סינכרוטרוני יכול להדמות מולקולות רק אם הן מסודרות במערך גבישי, שבו כוחות מקומיים מחזיקים מיליונים מהן בשורות מדויקות, כמו חיילים זהים במסדר.

הלייזרים, לעומת זאת, בוהקים הרבה יותר מכיוון שהם מפיקים אור קוהרנטי: השדה המגנטי בתוך לייזר אינו משתנה בפראות כמו פניו של ים סוער אלא מתנודד תנודות חלקות בקצב סדיר ומבוקר. בזכות הקוהרנטיות, הלייזרים יכולים למקד אנרגיה עצומה בנקודה זעירה ויכולים להידלק ולכבות תוך לא יותר מפֶמְטוֹ-שנייה. בוקסבאום, המחבר השני של המאמר, משתמש בפולסים של לייזר אופטי הנוצרים בקצבים אולטרה-מהירים כמקבילה לנורות הֶבזק (strobe), שהן נורות המהבהבות בתדר קבוע, ולכן מאפשרות צפייה בעצמים מתנודדים כאילו הם קבועים במקומם. הוא חוקר בעזרתם תנועה של אטומים ושלבים בתגובות כימיות.

אלא שלייזרים רגילים פועלים בתחום האור הנראה או באורכי הגל הסמוכים לו, הגדולים יותר מפי 1,000 מאורך הגל הדרוש לרזולוציה של אטומים יחידים. ממש כשם שמכ”ם גשם מסוגל לראות סופת גשמים אך אינו מסוגל להפריד בין הטיפות, כך לייזרים רגילים מסוגלים לראות כיצד קבוצות של אטומים נעות אך אינם מסוגלים להבחין בין אטום לאטום. כדי שאור יטיל צל חד, עליו להיות בעל אורך גל קטן לפחות כמו העצם הנצפה. משום כך אנחנו זקוקים ללייזר רנטגן.

כללו של דבר, לייזר הרנטגן מתגבר על החסרונות שמציבים הכלים הקיימים בפני דימות חומר בקני המידה הקטנים ביותר. אבל בניית התקן כזה אינו משימה קלה כלל וכלל.

קרני מוות

היו זמנים, שבהם הרעיון לבנות לייזר רנטגן נשמע מופרך, שכן אפילו בנייה של לייזר רגיל הייתה בגדר אתגר. הלייזרים הסטנדרטיים פועלים מכיוון שאטומים הם כמו סוללות זעירות: הם יכולים לבלוע, לאחסן ולשחרר כמויות קטנות של אנרגיה בצורת פוֹטונים או חלקיקי אור. בדרך כלל אטומים משחררים את האנרגיה שקיבלו באופן ספונטני, אבל בתחילת המאה ה-20 גילה אלברט איינשטיין דרך לעורר את השחרור, תהליך הידוע בשם פליטה מאולצת. אם תגרמו לאטום לבלוע כמות מסוימת של אנרגיה ואז לפגוע בו עם פוטון המכיל את אותה כמות אנרגיה, האטום יוכל לשחרר את האנרגיה שנבלעה בו מלכתחילה וליצור שיבוט של הפוטון. שני הפוטונים (המקורי והשיבוט) ממשיכים ומעוררים שחרור אנרגיה מצמד אטומים נוסף, וכן הלאה, עד להקמת צבא שיבוטים בתגובת שרשרת מעריכית. התוצאה היא קרני לייזר.

ואולם, אפילו כשהתנאים הולמים, אטומים אינם מְשַבְּטים פוטונים תמיד. ההסתברות שאטום נתון יפלוט פוטון כשפוגע בו פוטון אחר היא די נמוכה, ויש סיכוי גבוה יותר שהאטום ישחרר את האנרגיה שלו באופן ספונטני לפני שהדבר יקרה. לייזרים רגילים מתגברים על המגבלה הזאת באמצעות תהליך הקרוי “שאיבת אנרגיה” שמכין את האטומים לפעולה ובאמצעות שימוש במראות ששולחות את האור המשובט להסתער לפנים ולאחור, ולאסוף חיילים חדשים בדרך. בלייזר הליום-ניאון טיפוסי שמשתמשים בו בסורקי הברקוד בסופרמרקט, זרם רציף של אלקטרונים מתנגש עם אטומים בגז, וכל פוטון של אור מתמחזר 200 פעמים באמצעות ניתור הלוך ושוב בין מראות.

בלייזר רנטגן כל אחד מן השלבים האלה נעשה הרבה יותר מסובך. פוטון רנטגן עשוי להכיל פי 1,000 יותר אנרגיה מאשר פוטון אופטי, כך שכל אטום יצטרך לבלוע פי 1,000 יותר אנרגיה. האטומים אינם נאחזים באנרגיה שלהם למשך זמן רב. יותר מזה, קשה להשיג מראות רנטגן. ואף שהמכשלות האלה אינן עקרוניות, עדיין יש צורך בהשקעה של אנרגיה עצומה כדי ליצור את התנאי להפקת לייזר (לְזירָה).

למעשה, לייזר הרנטגן הראשון קיבל את האנרגיה שלו מניסוי תת-קרקעי של פצצה גרעינית. הוא נבנה בעבור פרויקט סודי שזכה לשם הצופן “אֶקְסקַליבר” ובוצע במעבדה הלאומית האמריקנית על שם לורנס בעיר ליברמור שממזרח לסן פרנסיסקו. הפרויקט עדיין מסווג, על אף שלא מעט מן המידע עליו כבר נחשף לציבור. ההתקן היה רכיב של יוזמת ההגנה האסטרטגית משנות ה-80 של הנשיא לשעבר רונלד רייגן, שכונתה “מלחמת הכוכבים,” והיה אמור לתפקד כקרן מוות שתיירט טילים ולוויינים.

במהלך אותו עשור בנתה מעבדת לורנס שבליברמור גם את הגרסה הלא-גרעינית הראשונה בקנה מידה מעבדתי של לייזר רנטגן, שהאנרגיה בשבילו סופקה על ידי לייזרים אופטיים רבי עוצמה שתוכננו לבחון תכונות של כלי נשק גרעיניים. ואולם, ההתקנים האלה לא היו מעשיים בתור כלי מחקר, והאפשרות שאי פעם ייעשה שימוש שגרתי בלייזרי רנטגן לצורך יישומים מדעיים נראתה בלתי סבירה.

תנועה ביישור קו

פריצות הדרך שאפשרו לחוקרים לפתח לבסוף לייזרי רנטגן לשימוש אזרחי הגיעו ממוסד אחר במפרץ סן פרנסיסקו, שהשתמש בהתקן שיועד למטרה אחרת לגמרי. בשנות ה-60, בנתה אוניברסיטת סטנפורד את מאיץ האלקטרונים הארוך ביותר בעולם, מבנה שאורכו שלושה קילומטרים, שכצופים בו מן החלל הוא נראה כמו מחט המגיחה מן ההרים ומצביעה לעבר לִבו של קמפוס האוניברסיטה. המאיץ הקווי SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) מאיץ צברים דחוסים של אלקטרונים למהירויות קרובות מאוד למהירות האור (קרובות עד כדי סנטימטר אחד לשנייה). המכונה הזאת הניבה שלושה פרסי נובל בעבור תגליות ניסוייות בפיזיקת חלקיקים.

ואולם, המאיץ הגיע לסוף דרכו כמכונה שימושית, ופיזיקאי החלקיקים מגלים היום את תגליותיהם במאיץ ההדרונים הגדול שבשווייץ. לפני עשר שנים החליטה מחלקת המדע של משרד האנרגיה של ארה”ב, סוכנות האם של סטנפורד ושל SLAC, להפוך חלק מן המכונה המזדקנת ללייזר רנטגן. SLAC ציידה את המאיץ באותו התקן שמשמש לייצור קרני רנטגן בסינכרוטרונים מודרניים: מכשיר הקרוי אונדולטור (undulator).

אונדולטורים מורכבים מסדרה של מגנטים המחוללים שדות מגנטיים משתנים. אלקטרונים הנעים דרך אונדולטורים מתנודדים ופולטים קרני רנטגן. בסינכרוטרונים, שהם לולאות סגורות, ברגע שהאלקטרונים עוזבים את האונדולטור המסלולים שלהם מתעקמים ונעשים מקושתים. כך החלקיקים סרים מדרכן של קרני הרנטגן, שמופנות לתחנות ניסוי. האלקטרונים ממשיכים לנוע במורד מסלול המירוצים, ופולטים פרץ קרני רנטגן בכל פעם שהם חולפים דרך האונדולטור.

אבל SLAC הוא מאיץ בקו ישר, והאונדולטור שלו ארוך במידה חריגה (130 מטר). האלקטרונים נעים לאורך אותו מסלול של הפוטונים וכמעט באותה מהירות. התוצאה היא מירוץ מכוניות מתנגשות תת-אטומי. האלקטרונים אינם יכולים לסור מדרכם של הפוטונים בתחום קרינת הרנטגן שהם פלטו, ולכן הפוטונים “חובטים” בהם מן הצד שוב ושוב. כך, הפוטונים גורמים לאלקטרונים לפלוט פוטונים משובטים של קרינת רנטגן באמצעות תהליך של פליטה מאולצת.

אין צורך במראות שיגרמו לאור לנתר הלוך ושוב דרך האלקטרונים, מכיוון שהם נעים יחדיו. כל מה שצריך בשביל לייצר את הלייזר זו אלומה חזקה של אלקטרונים מהירים ומרחב גדול דיו כדי להכיל אונדולטור ארוך. וב-SLAC אפשר למצוא את שניהם. אם רק תארגנו את הכול בשלמות, פחות או יותר, והנה תופיע אלומת קרני רנטגן בוהקת להדהים. בסופו של הקו מסיטים את מסלול האלקטרונים, והפוטונים נכנסים לתחנות הניסוי. המונח הטכני בעבור המערכת הזאת הוא לייזר אלקטרונים חופשיים.

על אף שה-LCLS אינו משמש כתותח בעבור “מלחמת הכוכבים”, הוא עדיין מכשיר מפלצתי. העוצמה הממוקדת הגבוהה ביותר שהגיע אליה, 1018 ואט לסמ”ר, גדולה פי כמה מיליארדים ממקורות אור סינכרוטרוניים. הלייזר יכול לחתוך פלדה. השדה האלקטרומגנטי המתנודד שלו יכול להיות חזק פי 1,000 מן השדות שקושרים אטומים זה לזה במולקולות.

כחומר ביד היוצר

הביקוש ללייזר הוא גדול כל כך, עד שלוח הזמנים שלו מאפשר להצעת מחקר אחת מתוך ארבע לכל היותר להשתמש בו. מדעני הצוות הקבוע במעבדה עובדים עם קבוצות מתארחות גדולות של סטודנטים, פוסט-דוקטורנטים ומדענים בכירים במרתונים צפופים, 12 שעות ביום במשך חמישה ימים. כל מיקרו-שנייה חשובה.

לייזרי רנטגן פותחים לפנינו שדות מחקר נרחבים. כדי לתת לכם טעימה מן האפשרויות, נתמקד כאן בשתי בעיות מדעיות שמעניינות אותנו במיוחד: כיצד חומר מתנהג בתנאים קיצוניים ומה אפשר ללמוד מן הדימות האולטרה-מהיר של מולקולות. יש קשר הדוק בין שתי הבעיות האלה ובין תהליכי היסוד שנחקרים בפיזיקה אטומית, מולקולרית ואופטית, תחום ההתמחות שלנו.

כאשר ה-LCLS יוצר אטומים חלולים במולקולות ובמוצקים, הוא מנצל את הנטייה של אלקטרונים מן הקליפות החיצוניות של האטום ליפול פנימה כדי להחליף את האלקטרונים שאבדו מן הקליפות הפנימיות יותר. התופעה הזאת, המכונה תפוגת (רלקסציית) אוז’ה (Auger), נמשכת כמה פֶמְטוֹ-שניות. לכן, אם נאיר את המערכת בפולס רנטגן באורך פֶמְטוֹ-שנייה אחד, שום אלקטרון חיצוני לא יספיק לצנוח לתוך המקומות החלולים בקליפה הפנימית. בתנאים האלה, האטומים החלולים יהיו שקופים לכל פוטון רנטגן נוסף, אפילו אם עוצמתו תהיה גדולה מאוד. גילינו את השקיפות החלולה הזאת ב-LCLS, לא רק באטומים אלא גם במולקולות ובדגימות חומר גדולות יותר.

על פי התיאוריה, ייתכן שבתוך כוכבי לכת ענקיים כמו צדק, למשל, הטמפרטורות מגיעות ל-20,000 מעלות קלווין, פי ארבעה מן הטמפרטורה של פני השמש. מימן והליום, המרכיבים העיקריים של כוכב הלכת, מגיעים שם כנראה למצבי צבירה מוצקים אקזוטיים, בעלי צפיפויות ומבנים קיצוניים. ואולם, מעט מאוד ידוע בנוגע לפרטים. אפילו חוזק החומר, כלומר הדחיסה שלו בתגובה ללחץ, אינה קלה למדידה ואינה מובנת היטב מתוך עקרונות יסוד. עד כה, המחקר בתחום הזה הסתמך במידה רבה על מודלים תיאורטיים. נערכו ניסויים מעטים בלבד שבכוחם לאשש את המודלים.

כמה מן הניסויים הראשונים שנערכו ב-LCLS ניסו ליצור מחדש את התנאים העוינים האלה. העוצמה הכבירה של הלייזר יכולה לחמם חומר במהירות מסחררת, ולחולל אגב כך אפקטים בלתי רגילים. למשל, צפינו לראשונה בכמה קרני רנטגן המתנפלות יחדיו על מולקולות המורכבות מאטומים רבים, ומשחררות מהן אלקטרונים שהיו קשורים בחוזקה לגרעין האטום, תהליך הקרוי בליעת פוטונים מרובים. צפיפות הפוטונים הגבוהה יכולה גם לסלק כמה אלקטרונים מאטום יחיד, ממולקולות או ממוצקים, ולהפוך אותם לחלולים כפי שתואר כאן, בתהליך הקרוי בליעה סדרתית. קרני רנטגן בוהקות יכולות, בנוסף לכך, לפרק במהירות את כל הקשרים במולקולות הצפויות להימצא בתוך כוכבי לכת ענקיים, ובכללן מים, מתאן ואמוניה. מדידות של חומר בתנאים קיצוניים עזרו לקבוע את משוואת המצב – הנוסחה השולטת בצפיפות, בטמפרטורה ובלחץ – בליבות של כוכבי לכת ענקיים ובמהלך פגיעות מטאוריטים.

חלבונים מתפוצצים

כיוון המחקר השני – שימוש בלייזר בתור מצלמת רנטגן מהירה כדי לדמות מולקולות ולהקליט סרטים של דינמיקות פיזיקליות, כימיות וביולוגיות – ממלא פער רציני בידע שלנו. הידע שבידי החוקרים באשר למבנה של מולקולות ביולוגיות רבות דל במידה מטרידה, בייחוד, לגבי מולקולות שעל קרום התא ותצמידים מאקרו-מולקולריים של מולקולות ענק. בשיטה הרגילה, קריסטלוגרפיה, השלב הראשון הוא גידול גביש שיהיה גדול ומושלם דיו כדי שיוכל לגרום לאלומת קרני רנטגן מסינכרוטרון לעבור עקיפה. הדפוס המתקבל חושף את מבנה המולקולה. החיסרון בשיטה הזאת הוא, שקרני הרנטגן פוגמות בקלות במולקולות שהן בודקות. החוקרים חייבים אפוא להכין גבישים גדולים כדי לפצות על הפגימות, אך קשה מאוד לגבש הרבה מן המולקולות המעניינות, כמו למשל חלבוני קרום תא. כמו כן, שיטת הסינכרוטרון אינה מאפשרת קצב פולסים מהיר ולכן אי אפשר לצפות בעזרתה בתופעות מַעֲבר המתרחשות בקני המידה הכימיים של פֶמְטוֹ-שניות.

במבט ראשון, נראה שה-LCLS הוא הכלי הכי פחות מתאים למשימה הזאת. עוצמתו גדולה פי כמה מיליארדים מן העוצמה של מקורות אור סינכרוטרוניים, ולכן חומרים שבריריים כמו חלבונים או מערכות לא גבישיות לא יוכלו להחזיק מעמד אפילו מול פולס אחד ויחיד של קרני הרנטגן שלו בלי שיתפוצצו ויהפכו למרק פלזמה לוהט. אבל למרבה האירוניה, העוצמה ההרסנית הזאת היא בדיוק מה שאנחנו צריכים. מכיוון שהפולס הוא כה קצר ובוהק, הוא יכול לצלם תמונה בזמן קצר יותר מזה שנדרש למולקולה כדי להתפוצץ. לכן, על אף שהלייזר מוחק את הדגימה, הוא מספיק לצלם תמונה ברורה של המולקולה בדיוק לפני חיסולה.

המושג הזה, הקרוי עקיפה לפני השמדה, כבר מתחיל לשאת פירות. מדענים השתמשו בקריסטלוגרפיית פֶמְטוֹ-שנייה כדי לתעד דפוסי עקיפה של גבישי-ננו, חלבונים ונגיפים [ראו תיבה בעמודים 58 ו-59]. בעבודה שנעשתה לאחרונה, מיפו מדענים את מבנה החלבונים המעורבים במחלת השינה, מחלה קטלנית הנגרמת על ידי טפילים חד-תאיים.

כעת, לאחר שה-LCLS פרץ את הדרך בעבור הטכנולוגיה, גם מעבדות באירופה ובאסיה מתכננות לבנות לייזרי רנטגן באמצעות אלקטרונים חופשיים משלהן. דור המכונות החדש הזה יהיה יציב יותר ויספק שליטה טובה יותר באלומת הקרניים. אחת המטרות החשובות במיוחד היא יצירת פולסי רנטגן קצרים עוד יותר. אם יהיו לנו פולסים של 0.1 פֶמְטוֹ-שנייה (100 אטו-שנייה, כלומר, החלק ה-10-18 של שנייה), אולי נוכל להתחיל לצפות לא רק בתנועתם של אטומים אלא גם בתנועתם של אלקטרונים בתוך אטומים ומולקולות. התקנים חדשים יוכלו אפילו לאפשר לנו לשלוט בתנועה הזאת. החלום של יצירת סרטים המראים כיצד קשרים כימיים מתפרקים וכיצד קשרים חדשים נוצרים הוא כעת בהישג ידינו.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

על המחברים

נורה ברה (Berrah), ראש המחלקה לפיזיקה באוניברסיטת קונטיקט, מנחה בדיקות מחקריות ומנהלת בנייה של מכשור מתקדם בלייזר הרנטגן LCLS. תחום התמחותה של ברה הוא חקר האינטראקציות בין פוטונים ואטומים, מולקולות ומערכות-ננו. היא עמיתת מחקר באגודה האמריקנית לפיזיקה וכלת פרס דייוויסון-גרמר הניתן למחקרים בפיזיקה אטומית או בפיזיקת פני שטח, אחד העיטורים הנכבדים ביותר בתחום.

פיליפ ה’ בוקסבאום (Bucksbaum) מחזיק בקתדרה למדעי הטבע ע”ש מרגריט בלייק וילבור באוניברסיטת סטנפורד וב-SLAC, שם הוא מנהל את מכון PULSE המוקדש למחקר באמצעות לייזרים בקצבים אולטרה-מהירים ובאמצעות LCLS. הוא עמית מחקר באגודה האמריקנית לפיזיקה וחבר האקדמיה הלאומית למדעים והאקדמיה האמריקנית למדעים ולאמנויות.

בקיצור

לייזרי רנטגן היו מאז ומתמיד אחד ממרכיבי היסוד של המדע הבדיוני, אבל לייזר הרנטגן הראשון שיועד למטרות מדעיות התחיל לפעול באוניברסיטת סטנפורד, כמתקן של מחלקת המדע במשרד האנרגיה, לפני ארבע שנים בלבד. הוא ידוע בשם “מקור אור קוהרנטי במאיץ קווי” (LCLS), והאנרגיה להפעלתו מגיעה ממאיץ החלקיקים הקווי הגדול ביותר בעולם שבמעבדת המאיץ הלאומי האמריקני SLAC.

מצבי חומר אקזוטיים שאינם מופיעים בשום מקום אחר ביקום, נוצרו על ידי חשיפת אטומים, מולקולות ומוצקים לפולסי רנטגן בעוצמה גבוהה.

הלייזר, שמשמש גם כעין נורת הבזק, הקפיא את תנועתם של אטומים, צילם תמונות מהירות מאוד של חלבונים ונגיפים והקליט טרנספורמציות פיזיקליות וכימיות שנמשכות פחות מביליונית השניה.

עוד בנושא

Femtosecond Electronic Response of Atoms to Ultra-Intense X-rays. L. Young et al. in Nature, Vol. 466, pages 56-61; July 1, 2010.

Femtosecond X-ray Protein Nanocrystallography. Henry N. Chapman et al. in Nature, Vol. 470, pages 73–77; February 3, 2011.

Single Mimivirus Particles Intercepted and Imaged with an X-ray Laser. M. Marvin Seibert et al. in Nature, Vol. 470, pages 78-81; February 3, 2011.

Double Core-Hole Spectroscopy for Chemical Analysis with an Intense X-ray Femtosecond Laser. N. Berrah et al. in Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Vol. 108, No. 41, pages 16,912-16,915; October 11, 2011.

Creation and Diagnosis of a Solid-Density Plasma with an X-ray Free-Electron Laser. S. M. Vinko et al. in Nature, Vol. 482, pages 59-63; February 2, 2012.

Natively Inhibited Trypanosoma brucei Cathepsin B Structure Determined by Using an X-ray Laser. Lars Redecke et al. in Science, Vol. 339, pages 227-230; January 11, 2013.

צפו בהנפשה של אלומות קרני רנטגן רבות עוצמה מפוצצות אטומים חסרי ישע והגיבו על המאמר באתר האינטרנט של סיינטיפיק אמריקן ישראל.
הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל