גבולות הגזרה: עד כמה עמוק טבועה תופעת הכיראליות במולקולות?

כמה סיבובים של אור הלייזר המקוטב נדרשים כדי לאבחן מולקולה כבעלת מבנה שמאלי, או ימני? או, איזה חלק של סיבוב אחד (גזרה)? חצי סיבוב? רבע? עשירית? מאית מעגל? פחות מכך?

דרך אחת לבחון כיווניות כיראלית של מולקולות, מבוססת על הקרנה של אור מקוטב (ומסתובב) על המולקולה. מתברר שמולקולה בעלת מבנה ימני, בולעת את האור המקוטב בשיעור שונה במעט בהשוואה לשיעור הבליעה של “אחותה” שהיא בעלת מבנה שמאלי. מדידה רגישה יותר מודדת את כמות האלקטרונים הנפלטים ממולקולה כאשר מייננים אותה, בכיוון התקדמות האור. כאשר מולקולה כיראלית בולעת אור מקוטב מעגלי, מספר האלקטרונים שנפלטים בכיוון זה שונה במעט במולקולה ימנית בהשוואה למולקולה שמאלית. ספירת האלקטרונים הנפלטים הללו – והשוואת הכמויות – יכולה, לפיכך, לשמש לאבחנת המבנה המרחבי של המולקולות הנבחנות וזיהוי הכיווניות הכיראלית שלהן. דרך זו בוחנת את התגובה של מולקולות כיראליות בפרקי זמן ארוכים.

אבל עד כמה עמוק טבועה תופעת הכיראליות במולקולות (כלומר, מה משך התגובה הקצר ביותר בין האור לחומר, שמספיק כדי למדוד כיראליות)? או, במלים אחרות, כמה סיבובים של אור הלייזר המקוטב נדרשים כדי לאבחן מולקולה כבעלת מבנה שמאלי, או ימני? או, איזה חלק של סיבוב אחד (גזרה)? חצי סיבוב? רבע? עשירית? מאית מעגל? פחות מכך?

פרופ’ נירית דודוביץ וחברי קבוצתה במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, במכון ויצמן למדע, בשיתוף עם קבוצת המחקר של ולרי בלנשט ויאן מאיירס מאוניברסיטת בורדו, בצרפת, מצאו דרך מקורית – אם כי מורכבת מבחינה טכנולוגית – שתאפשר להם לענות על השאלה הזאת. אם מבקשים לבחון תגובה מהירה יותר, יש לבחון אותה באמצעי מהיר יותר. כלומר, יש להגיע לתוצאה חד-משמעית באמצעות גזרה צרה יותר – וקצרה, או מהירה יותר – של האור המעגלי המקוטב שנשלח “לגשש” את מבנה המולקולה.

כדי לאפשר מדידה של כיווניות המולקולה הנבחנת באמצעות גבולות גזרה מינימליים, יצרו המדענים שילוב בין שתי קרני לייזר מקוטבות בכיוונים שונים, ובאורכי גל (צבעים) שונים. תוצאת הקיטוב בכיוונים השונים, הבדלי הצבעים ומהירות ההבזק, יצרה – במקום תבנית האור המסתובב – מעין תבנית קיטוב דמוית הספרה 8. כאשר מקרינים את תבנית האור הזאת על דוגמאות חומר, האונות “מתהפכות” וכיוון סיבוב האור מתחלף במהירות גבוהה מאוד, הנמדדת בכמה עשרות אטו-שניות (אטו-שניה היא מיליארדית המיליארדית השנייה). כתוצאה מהקרנת האור, מולקולות החומר הנבחן מתייננות; אבל כתוצאה מההתחלפות המהירה והחוזרת על עצמה של “אונות” האור המקוטב המסתובב (בעל התבנית דמוית הספרה 8), משתנה תגובת כיווני הפליטה של האלקטרונים מהמולקולות המתייננות. במלים אחרות, המדענים יצרו מעין מתג אור מהיר, שמשמש מדד לכיראליות. הניסוי הראה לראשונה שאפשר לאבחן את תופעת הכיראליות בפרקי זמן של עשרות עד מאות אטו-שנייה, ובכך מודד לראשונה את הזמנים שבהם אפשר למדוד כיראליות.

למאמר המדעי