פרס וולף בפיזיקה לשנת 2022 הוענק לפרופסורים: אן ל’הולייר, אוניברסיטת לונד בשבדיה; פול קורקום, אוניברסיטת אוטווה; פרנץ קראוס , מכון מקס-פלנק לאופטיקה קוונטית ואוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים.
אן ל’הולייר, פול קוֹרְקְם ופרנץ קראוס חולקים את פרס וולף לפיזיקה לשנת 2022 על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים. שלושת הזוכים תרמו תרומות מכריעות הן לפיתוח הטכנולוגיה של פיזיקת האטו-שניות והן ליישומה לצרכי מחקר בסיסי בתחום הפיזיקה.
מדע האטו-שניות עוסק באינטראקציה שבין קרינה וחומר ובחקירת תופעות שסקלת הזמנים שלהן היא מספר אטו-שניות (10-18 שניות). על פי תורת הקוונטים, סקלת זמן זאת מאפיינת תופעות הקשורות בדינמיקה של אלקטרונים. מדע האטו-שניות חוקר ודוגם תהליכים כאלו בעיקר באמצעות מכשירי לייזר בעלי פעימות אולטרה-קצרות בתחום זמנים זה. הדבר מאפשר הבנה עמוקה יותר של תהליכים פיזיקאליים חשובים לדוגמא תהליכי מינהור, או השהייה בתהליכי פוטו-ינון באטומים, התקדמות מיטען במולקולה, או זרמים אולטרא-מהירים וקורלציות של אלקטרונים בסריגים. המטרה ארוכת הטווח היא לשלוט בצורה מבוקרת על תנועת האלקטרונים בחומר לסוגיו.
לייזרים עם פעימות אולטרה-קצרות הינם אמצעי המחקר החשובים ביותר בפיזיקה של אטו-שניות ופריצות הדרך בטכנולוגיות של לייזרים כאלה קשורות קשר הדוק עם התגליות החשובות בתחום. היכולת לקצר את פעימות הזמן (אורך הפולסים) של לייזרים הולכת ומשתפרת עם הזמן. ממשך זמן של פיקו-שניות (10-12 שניות) זמן קצר לאחר המצאת הלייזר, לפמטו-שניות (10-15 שניות) ולאחרונה גם אטו-שניות; היכן שמצויה היום חזית המחקר בתחום זה. המעבר מפולסים של פמטו-שניות לפעימות של אטו-שניות התאפשר בעזרת תופעה הידועה בשם “יצירת הרמוניות גבוהות”, והוא מהווה פריצת דרך מדעית-טכנולוגית. הבנת התהליכים הקשורים ביצירת פעימות אולטרה-קצרות במשכי זמן של אטו-שניות, והשימוש בהם למעקב ולדיגום של קונפיגורציות שונות של אלקטרונים באטומים, במולקולות, ובחומר מוצק, עם תובנות חשובות ויישומים בתחומי מדע וטכנולוגיה רבים, הינם בבסיס העבודה פורצת הדרך של זוכת וזוכי פרס וולף לשנת 2022 .
לפיזיקה של אטו-שניות מספר יישומים עכשוויים ופוטנציאל גדול לעתיד. לדוגמא, היכולת לשלוט בתנועה של אלקטרונים
בסקלה אטומית יכולה לגרום למולקולה להתפרק או ליצור קשרים חדשים אשר משנים את תכונותיה. הדבר מאפשר לשנות את תפקודן של מולקולות שונות, בין השאר מולקולות ביולוגיות חשובות, ויש לכך פוטנציאל לעזור במלחמה כנגד מחלות. היכולת לשלוט בתנועה של אלקטרונים בסקלות הולכות וקטנות של זמן תביא, קרוב לוודאי, גם לפיתוחים חדשניים בתחום ההתקנים האלקטרוניים, לדוגמא, לפיתוח שבבים ומחשבים מתקדמים.
אן ל’הולייר
אוניברסיטת לונד
ל’הולייר, נולדה בפריז ומכהנת היום כפרופסור לפיזיקה אטומית באוניברסיטת לונד שבשוודיה, שם היא מובילה את ממחקריה פורצי הדרך. ל’הולייר עוסקת בתחום של פעימות (פולסים) של לייזרים מהירים ועבודתה מתמקדת באינטראקציה בין פעימות אור קצרות ואינטנסיביות לאטומים. לדבריה, אחד ממקורות ההשראה שלה, בימי ילדותה, הייתה “אפולו 11 ” , משימת החלל הראשונה להנחתת אדם על הירח, בשנת 1969 . היא הושפעה רבות גם מסבה, שהיה פרופסור להנדסת חשמל ועבד על תקשורת בתחום הרדיו. אלה ואחרים הביאו להתלהבותה הרבה ממדע וטכנולוגיה כבר בגיל צעיר, מה שהפך אותה מאוחר יותר למדענית בולטת ומנהיגה בתחום הפיזיקה של אטו-שניות.
לל’הולייר תואר ראשון במתמטיקה ותואר שני כפול בפיזיקה תיאורטית ומתמטיקה מאוניברסיטת פייר ומארי קירי בפריז.
בהמשך, שינתה כיוון לתחום הפיזיקה הניסויית ואת הדוקטורט השלימה בשנת 1986 , באוניברסיטת פייר השישי. את פוסט הדוקטורט שלה רכשה ל’הולייר בשנת 1986 במכון צ’למרס לטכנולוגיה שבגטבורג, שוודיה, וקיבלה משרה קבועה כחוקרת ב- CEA) French Alternative Energies and Atomic Energy Commission). בשנת 1987 השתתפה ל’הולייר בניסוי בו נצפו לראשונה הרמוניות גבוהות באמצעות מערכת לייזר פיקו-שנייה. היא הוקסמה מהניסוי והחליטה להקדיש את זמנה לעבודה בתחום מחקר זה. בשנת 1988 המשיכה את הפוסט דוקטורט שלה באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג’לס. בהמשך עברה לאוניברסיטת לונד שבשבדיה שם הפכה לפרופסור מן המניין בשנת 1997 . ב 2004- נבחרה ל’הולייר לחברה באקדמיה המלכותית השוודית למדעים.
אן ל’הולייר הייתה בין הראשונים להדגים באופן נסיוני יצירה של הרמוניות גבוהות, התהליך הגורם ליצירת פעימות של אטו-שניות, ותרמה משמעותית לפיתוח ההסבר התיאורטי של תהליך זה. היא גם ביצעה מספר ניסויים מכריעים אשר שיפרו את ההבנה של התהליך והייתה שחקנית מפתח ביצירת תחום המחקר של מדע האטו-שניות.
פול ברוס קוֹרְקְם
אוניברסיטת אוטווה
קורקם, פיזיקאי קנדי, מנהיג וחלוץ בתחום ספקטרוסקופיית לייזר אולטרה-מהירה. עבודתו המדעית במשך שלושה עשורים
היוותה מקור לתובנות משמעותיות שהובילו לפריצות הדרך האחרונות בתחום זה. קורקם ידוע בעיקר בזכות תרומתו יוצאת
הדופן לתחום יצירת הרמוניות גבוהות ובניית מודלים אינטואיטיביים שתרמו להסבר התופעות המורכבות של הספקטרוסקופיה של אטו-שניות.
קורקם נוהג לציין שהוא חב את הקריירה שלו למורה לפיזיקה שלו מהתיכון, אנתוני קנט, אשר דחף אותו להוכיח כל דבר.
לדבריו, זה בדיוק מה שפיזקאי אמור ורוצה לעשות. קורקם גדל בסנט ג‹ון, ניו ברונסוויק, עיר נמל קטנה בחוף המזרחי של קנדה. כבנו של דייג וקפטן ספינת גרר, הוא בילה הרבה מזמנו סביב לסירות, מפליג עם אביו, לומד ומתקן סוגי מנועים שונים. הוא החל את הקריירה שלו כפיזיקאי תיאורטי והשלים את עבודת הדוקטורט בפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת להיי Lehigh)) שבפנסילבניה, בשנת 1973 . כאשר נשאל במהלך ראיון לפוסט-דוקטורט במועצה הלאומית למחקר של קנדה ((NRC “מדוע אתה חושב שאתה יכול לעסוק גם בפיזיקה ניסויית?” יכול היה לענות על כך בביטחון כשהוא מסתמך על ניסיון הילדות שלו: “זו לא בעיה כלל. אני יכול לפרק לגמרי מנוע של מכונית, לתקן אותו ולהרכיב אותו בחזרה כך שזה יעבוד. ” הוא התקבל כחוקר מן המניין ובנה ב- NRC את אחת הקבוצות המפורסמות בעולם בתחום האטו-שניות. כיום, קוֹרְקְם מכהן כראש קתדרה למחקר באוניברסיטת אוטווה שבקנדה ומנהל את המעבדה לאטו-שנייה המשותפת ל- NRC ולאוניברסיטת אוטווה. קורקם הוא חבר האגודות המלכותיות של לונדון ושל קנדה וחבר-זר באקדמיה הלאומית למדע של ארה”ב, האקדמיה למדעים האוסטרית, והאקדמיה הרוסית למדעים.
פול קורקם ביסס את ההבנה של יצירת הרמוניות גבוהות בעזרת פיתוח “מודל התנגשות חוזרת” סמי-קלאסי. במסגרת מודל זה אלקטרון עובר מנהור בהשפעת שדה לייזר חזק, מואץ על ידי השדה ולבסוף עובר התנגשות עם היון המלווה בפליטה של הרמוניות גבוהות. ספקטרום ההרמוניות הנפלט רגיש לשינוי בזמן של המבנה האטומי או המולקולרי. הספקטרוסקופיה ההרמונית אפשרה לו להדגים את האפשרות לקבל תמונה של אורביטל מולקולרי בעזרת הליך שיחזור טומוגראפי.
פרנץ קראוס
מכון מקס-פלנק לאופטיקה קוונטית ואוני’ לודוויג מקסימיליאן במינכן
קראוס, פיזיקאי הונגרי-אוסטרי שצוות המחקר שלו היה הראשון לייצר ולמדוד פולס אור של מספר אטו-שניות בו השתמש
בהמשך למעקב אחר תנועת של אלקטרונים בתוך אטום.
קראוס קיבל תואר שני בהנדסת חשמל בשנת 1985 באוניברסיטת בודפשט לטכנולוגיה. את הדוקטורט שלו באלקטרוניקה קוונטיתמהאוניברסיטה הטכנולוגית של וינה השלים בהצטיינות בשנת 1991 , ואת הפוסט דוקטורט שלו סיים באותה אוניברסיטה בשנת 1993. בשנת 1998 הוא הצטרף למחלקה להנדסת חשמל באותה האוניברסיטה והועלה לדרגת פרופסור מן המניין שנה לאחר מכן. בשנת 2003 הוא מונה למנהל במכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית בגרשינג Garching) ), גרמניה. החל משנת 2004 הוא מכהן גם כפרופסור לפיזיקה ויו »ר קבוצת הפיזיקה הניסויית באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן שבמינכן.
קראוס התעניין תמיד בחקר ממדים קטנים יותר ויותר של מרחב וזמן. עוד בתחילת שנות ה 90- , כשעבד על הדוקטורט שלו
באוניברסיטה הטכנולוגית של וינה, הוא התרשם מהרעיון לעשות זאת על ידי שימוש בפולסי אור קצרים של לייזרים פועמים
חדישים. פעימות האטו-שניות הראשונות נוצרו ונמדדו על ידי קראוס וקבוצת המחקר שלו בתחילת שנות ה 2000- . עבודה זו אפשרה לו לבצע, בפעם הראשונה, תצפיות בזמן אמת של תנועות אלקטרונים בתוך אטומים. כיום אנו משתמשים בפולסים כאלה כדי להבין טוב יותר, וגם לשנות, תהליכים מיקרוסקופיים שונים באטומים ומולקולות.
עבודת המחקר של קראוס במכון מקס פלאנק כוללת מספר יישומים חדשים ומלהיבים. יחד עם קבוצת המחקר שלו, הוא מנסה להשתמש בטכנולוגיה של פמטו-שנייה ואטו-שניה כדי לנתח דגימות דם ולזהות שינויים זעירים בהרכבן. מטרת המחקר היא לבדוק האם שינויים כאלה יכולים לאפשר אבחון מדויק של מחלות כבר בשלביהן הראשונים.
פרנץ קראוס הראה כי משכי הפעימות ההרמוניות הינם בתחום האטו-שניות. הוא תרם לבניית לייזר עם פעימות בנות מספר מחזורים וחקר את התלות בזמן של תהליכים פיזיקליים רבים באטומים ומולקולות. קראוס הבין את ההיתכנות של ניסויים עם רזולצית זמן בתחום האטו-שניות. הדבר אפשר לעקוב אחר תהליך הפוטו-יינון בזמן אמת והוכיח ניסויית את מה שידוע כ “עיכוב וויגנר” בתהליך פליטת אלקטרונים מאטומים ומולקולות כתוצאה מאינטראקציה עם פוטונים.
עוד בנושא באתר הידען:
