התקן המזיז עצמים בעזרת קרן אור

חוקרים מצאו שיטה המאפשרת להשתמש באלומה מלאה של אור לייזר על מנת לשלוט ולהזיז עצמים זעירים במיוחד, למשל – תאים פרטניים בתוך גוף האדם, חלקיקים זערוריים בתוך מבחנות כימיות או בתוך התקני שבבים 

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

 

כאשר אנו מקרינים אלומת אור על גבי היד שלנו, איננו מרגישים דבר, למעט תחושת חמימות קטנה הנוצרת על ידי האלומה. כאשר מקרינים את אותה אלומה לעבר ממד הנמדד בקנה מידה של ננו- או מיקרומטרים, האלומה הזו הופכת לעוצמתית במיוחד ומאפשרת להזיז עצמים הלכודים בתוכה.

חוקרים מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת וויווטרסרנד (יוהנסבורג, אפריקה הדרומית) מצאו שיטה המאפשרת להשתמש באלומה מלאה של אור לייזר על מנת לשלוט ולהזיז עצמים זעירים במיוחד, למשל – תאים פרטניים בתוך גוף האדם, חלקיקים זערוריים בתוך מבחנות כימיות או בתוך התקני שבבים. הגם שהשיטה הזו, הידועה בשםholographic optical trapping and tweezing (לכידה וליקוט אופטי הולוגרפי), אינה חדשה, החוקרים מצאו דרך לנצל את מלוא תכולתה של אלומת האור – כולל אור וקטור שלא היה נגיש בעבר במסגרת יישום זה. “מלכודות הולוגרפיות קודמות היו מוגבלות לסוג מסוים של אור (אור סקלרי), ולכן זה מאוד מרגש שהצלחנו לחשוף התקן הוליסטי המנצל את כל סוגי האור, לרבות שילוב פנימה של כל התקני הלכידה שנוצרו בעבר,” אמר פרופסורAndrew Forbes , ראש צוות המחקר. “הצלחנו להדגים את מערכת הלכידה והליקוט האופטית ההלוגרפית הוקטורית הראשונה אי-פעם בעולם. ההתקן מאפשר לחלקיקים מיקרומטריים, כדוגמת תאים ביולוגיים, להילכד ולהיות מוזזים על ידי אור בלבד”. ההתקן המוגמר יוכל ללכוד מספר חלקיקים בה בעת ולהזיז אותם בעזרת אלומת אור. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב העת המדעי Scientific Reports.

במערכות לכידה וליקוט אופטיות רגילות האור ממוקד מאוד בתוך נפח קטן המכיל חלקיקים קטנים, כגון תאים ביולוגיים. בקנה מידה קטן כזה (בדרך כלל מיקרו- או ננומטרים) הכוחות שיכול האור להוליד הם משמעותיים בעוצמתם, כך שהעצמים הזעירים ניתנים ללכידה ולהזזה.

הרעיון שבבסיס התקן זה העניק למדען האמריקאי ארתור אשקין את פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2018. במקור, האור נשלט באופן מכאני על ידי מראות, אולם הרעיון שופר לאחר מכן על ידי הזזת האור באופן הולוגרפי, כלומר – על ידי שימוש בהולוגרמות המיוצרות במחשב במטרה לשלוט על האור מבלי להשתמש בחלקים נעים, ובכך לאפשר שליטה מלאה על החלקיקים. עד היום רק סוגים מיוחדים של אלומות לייזר, הנקראות אלומות סקלריות, היו ניתנות לשימוש במלכודות הולוגרפיות שכאלו. “במיוחד, ההתקן שלנו יוכל לפעול עם אלומות לייזר רגילות (סקלריות) וגם עם אלומות וקטור יותר מורכבות. אלומות וקטוריות הן טופיקליות מאוד ומשמשות ביישומים רבים, אולם עד היום לא נעשה שימוש במלכודת הולוגרפית וקטורית”, מסביר החוקר הראשי.

החוקרים הדגימו כיצד המלכודת החדשה שלהם מאפשרת שליטה הולוגרפית הן על אלומות סקלריות והן על אלומות וקטוריות באותו התקן, תוצאה המקדמת את חזית התחום הזה תוך הופעת התקן חדשני בקהיליה המדעית. קבוצת המחקר צופה כי ההתקן החדש יוכל להיות שימושי בניסויים במסגרת שליטה בממדים מיקרו- וננומטרים, לרבות מחקרים בתא יחיד בביולוגיה וברפואה, בתגובות כימיות בנפח זעיר וכן בפיזיקה בסיסית עבור התקנים עתידיים מסוג ‘מעבדה על שבב’.

במלכודת אופטית רגילה, אור עובר מיקוד באופן הדוק כך שהוא מסוגל להפעיל כוחות על חומר. החומר, למשל, חלקיק קטן, נלכד בתוך אלומת האור. כאשר האור מוזז על ידי מראות או שערים מכניים, כך מוזז גם החלקיק הלכוד בתוך האלומה. לתהליך הזו קוראים לכידה אופטית (לכידה של החלקיק) וליקוט אופטי, כלומר, הזזת החלקיק כאילו משתמשים במלקטת, אולם במקרה זה מלקטת העשויה מאור. על מנת לגרום לשליטה להיות פחות תלויה בחלקים מכאניים, חוקרים משתמשים בהולוגרמות על מנת לשלוט באור. בעזרת אפנני (modulators) אור מרחביים ניתן לקודד תבניות אור מובנות ולהזיז את התבניות הללו בתוך המלכודת, כך שחלקיקים רבים יוכלו להיות לכודים ומוזזים באותו הרגע. רעיון זה פתח צוהר לשלל תחומי מחקר מרתקים חדשים, אולם המלכודות האופטיות ההולוגרפיות המוגמרות היו מוגבלות רק לאלומות סקלריות של אור, חלק מזערי בלבד מכלל הספקטרום. הסוגים האחרים של אלומות אופטיות, מצבי וקטור, נחשבו כלא מתאימים לבקרה הולוגרפית. בעזרת הוקטור החדש, כיום ניתן להשתמש בכל סוגי האור.

המאמר המתאר את המחקר

הידיעה על המחקר כולל סרטון

17

אחד מהחוקרים מפעיל את אלומת הלייזר במסגרת הניסויים [באדיבות:Wits University]