פרס נובל לפיזיקה לשלושה חוקרים על פריצות דרך משמעותיות בפיזיקה אופטית

כתבו: ד”ר משה נחמני ונועם חי. פרס נובל לפיזיקה הוענק השנה לארתור אשקין, ג’רארד מורו, ולדונה סטריקלנד על פריצות דרך משמעותיות בפיזיקה אופטית. הפרס הוענק לארתור על המצאת ה”פינצטה האופטית” ושימושיה בביולוגיה. עבור ג’רארד ודונה הוענק הפרס על יצירת פולסי לייזר עוצמתיים ומהירים.  זו הזכיה השלישית של אישה בפיזיקה ב-120 שנה האחרונות 

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2018 הוענק לשלושה חוקרים העוסקים בתחום של כלים אופטיים ויישומיהם: מחצית מהפרס הוענקה לארתור אשקין מארה”ב על פיתוח מכשיר לייזר ממוקד במיוחד שזכה לכינוי “מלקחיים אופטיים” ואשר מצמיח יישומים חשובים במיוחד בתחומים של פיזיקה, כימיה ואף ביולוגיה; המחצית השנייה של הפרס תחולק בין החוקר ז’ראר מורו מצרפת ובין החוקרת דונה סטריקטלנד מקנדה, על פיתוח שיטה לקבלת פעימות אור עוצמתיות במיוחד המשמשת במגוון יישומים בתחומי המדע השונים.

התגלית שזכתה בנובל השנה שינתה את פני הפיזיקה האופטית. אובייקטים קטנים ותהליכים מהירים זוכים להתבוננות חדשה. ההמצאה איפשרה תגליות רבות בכימיה ובביולוגיה והאיצה את המחקרים בתחום.

אשקין המציא את הפינצטה האופטית שמאפשרת שינוע של חלקיקים, אטומים, תאים ושאר גופים זעירים באמצעות קרני לייזר. ארתור פתח צוהר לחלומם של חוקרים רבים והביא את המדע הבידיוני למציאות העכשווית. באמצעות לחץ אופטי אפשר להניע אובייקטים קטנים ממקום למקום.
תגלית משמעותית נוספת פורסמה בשנת 1987 כאשר אשקין חשף לראשונה שיטה שאיפשרה להניע חיידקים ממקומם במדויק מבלי להרוס אותם. כיום הפינצטה האופטית משולבת כמעט בכל מעבדה ביולוגית.

ג’רארד מורו ודונה סטירקלנד סרטטו את הדרך אל עבר לייזרים רבי עוצמה במאמר שפורסם בשנת 1985, עוד בהיותם דוקטורנטים. הם הצליחו להראות שיטה להאיר פולסים מהירים ועוצמתיים של לייזר מבלי להרוס את חומר המטרה. ככל שהפולס קצר יותר ומהיר יותר בזמן, האנרגיה שהוא מכיל גדולה יותר. השיטה שהמציאו, או בשמה המקצועי CPA ממש מצילה חיים. בימים אלה מנתחי עיניים ברחבי העולם משתמשים במכשירים המבוססים CPA כדי לנתח מיליוני אנשים.

נציין שזו הזכייה השלישית שמוענקת לאישה בפיזיקה, וכ-50 שנה עברו מאז הזכייה האחרונה.

כלים העשויים אור

ארתור אשקין (Arthur Ashkin) המציא מלקחיים אופטיים המאפשרים לאחוז חלקיקים, אטומים, נגיפים ותאים ביולוגיים בעזרת “אצבעות” העשויות מאלומת לייזר. כלי חדש זה אפשר לאשקין להביא לכדי מימוש חלום ותיק המוכר מתחום המדע הבדיוני – השימוש בלחץ הקרינה של אור בכדי להזיז עצמים ממשיים. הוא הצליח לגרום לאלומת לייזר להזיז חלקיקים קטנים כלפי מרכז האלומה ולהחזיק אותם שם. ברגע זה הומצאו המלקחיים האופטיים.

פריצת דרך משמעותית בתחום זה התרחשה בשנת 1987, כאשר אשקין השתמש במלקחיים על מנת ללכוד חיידקים חיים מבלי לפגוע בהם. מיד לאחר מכן הוא החל לבחון את השימוש של מלקחיים אופטיים אלו במערכות ביולוגיות, וכיום הם משמשים לשם חקר מנגנוני החיים הבסיסיים ביותר.

ז’ראר מורו (Gérard Mourou) ודונה סטריקטלנד (Donna Strickland) סללו את הדרך ליצור פעימות הלייזר הקצרות והעוצמתיות ביותר מעשה ידי אדם. המאמר פורץ הדרך שלהם פורסם בשנת 1985 והיווה את הבסיס לעבודת הדוקטור של החוקרת סטריקטלנד.

תוך שימוש בגישה גאונית, שני החוקרים הצליחו ליצור פעימות לייזר עתירות-עוצמה וקצרות במיוחד מבלי להרוס את החומר המגביר. בשלב הראשון הם “מתחו” את פעימות הלייזר בממד הזמן על מנת להפחית את עוצמת השיא שלהן, ואז הגבירו אותן, ובשלב הסופי דחסו אותן. אם פעימת לייזר נדחסת בממד הזמן והופכת קצרה יותר, אזי כמות גדולה יותר של אור אצורה יחדיו באותו חלל זעיר – עוצמת הפעימה מתגברת באופן משמעותי.

השיטה החדשנית של החוקרים מורו וסטריקטלנד, הקרויה בשם ‘הגברת פעימה על ידי שריג’ (chirped pulse amplification, CPA), הפכה עד מהרה לשיטה הנפוצה ביותר לקבלת לייזרים עתירי-עוצמה. השימושים בה כוללים, בין השאר, את מיליוני ניתוחי העיניים המתקנים המבוצעים מדי שנה תוך שימוש באלומות הלייזר החדות ביותר הקיימות כרגע.

אינספור תחומי היישום של התגליות בגינן הוענק השנה פרס הנובל לפיזיקה עדיין לא נחקרו במלואם. אולם, כבר עכשיו המצאות מפורסמות אלו מאפשרות לנו להסתובב במיקרו-העולם הזעיר ביותר, זאת לאור חזונו של אלפרד נובל – לטובת האנושות כולה.