הבזקי אור במהירות של אטו-שנייה (attosecond): הזוכים בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2023 הוכרזו אתמול (שלישי) – פייר אגוסטיני מאוניברסיטת אוהיו בארה"ב, פֵרנץ קראוס מאוניברסיטת מינכן בגרמניה ואן ל'הולייר מאוניברסיטת לונד בשוודיה. השלושה נחשבים למייסדי תחום שנקרא פיזיקה של אטו-שניות – יחידה אחת היא פרק זמן הנמשך מיליארדית של מיליארדית השנייה – ובמסגרתו נמדדת תנועת אלקטרונים בעזרת הבזקי לייזר. מה החשיבות של גילוי המנגנון הזה? N12 עושים סדר.
החומרים בעולמנו בנויים ממולקולות, שבנויות מאוטמים. אלה בנויים מחלקיקים תת-אטומיים, בין היתר אלקטרונים – חלקיקים שנושאים מטען חשמלי שלילי. התנועה שלהם מהירה מאוד, ובמשך שנים חשבו כי לא ניתן לחקור אותה.
"הייצור של לייזרים מהירים נחשב פעם לבלתי אפשרי", אומר ל-N12 איתי נבו, מאתר מכון דוידסון לחינוך מדעי. "עד שבאו חוקרים ואמרו שיש תופעה תיאורטית הנקראת 'הרמוניות גבוהות' ומאפשרת להגביר את התדירות של לייזר בגלל תופעות קוונטיות, וכך מאפשרת לייצר לייזר בתדירות גבוהה יותר, כלומר עם הבזקים קצרים יותר. ל'הולייר הייתה הראשונה שהראתה שזה אפשרי מבחינה פיזיקלית. עד אז חשבו שאם אתה מקרין חומר בלייזר, ומנסה לקבל את הלייזר היותר מהיר דרך ההקרנה הזו, אז ההרמוניה לא תהיה חזקה מספיק ולא נראה בצורה טובה שאפשר למדוד או להשתמש. היא הראתה שאפשר לקבל הרמוניה גבוהה בעבודה בשנת 1987 והניחה את הבסיס לפיתוח לייזרים כאלה".
לאחר שפענחה ל'הולייר את התיאוריה, אגוסטיני וקראוז עשו ניסויים שבמסגרתם ייצרו בפועל לייזרים כאלה, כל אחד במעבדה שלו. "הפרס מוענק לל'הולייר על הנחת היסודות במחקר, ולשני אנשים שעשו בעבודות נפרדות את הלייזרים המהירים עצמם שהגיעו לזמנים של כמה מאות אטו-שניות".
"ההבזקים מאפשרים להסתכל על תהליכים בתוך מולקולה - מעבר של אלקטרון בין אטומים ותופעות קוונטיות", מדגיש נבו. "אנחנו משתמשים בהבזקים מהירים כדי 'לצלם' את המולקולות והאטומים ולחקור את התהליכים האלה".
שניים משלושת הזוכים, ל'הולייר וקראוס, קיבלו בשנה שעברה את פרס וולף, אחד הפרסים החשובים ביותר בעולם המדע, והגיעו לישראל כדי לקבל את הפרס מנשיא המדינה יצחק הרצוג. בנימוקי השופטים נכתב: "ל'הולייר הייתה מהראשונים שהדגימו באופן ניסיוני יצירה של הרמוניות גבוהות, התהליך הגורם ליצירת פעימות של אטו-שניות, והרימה 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".
"קראוס הראה כי משכי הפעימות ההרמוניות הינם בתחום האטו-שניות", נכתב על עמיתה. "הוא תרם לבניית לייזר עם פעימות בנות מספר מחזורים וחקר את התלות בזמן של תהליכים פיזיקליים רבים באטומים ומולקולות". במידה רבה, פרס וולף נחשב למנבא קבלה של פרס נובל.
"התיאוריה היא מדהימה מבחינת פיזיקה", מסביר נבו. "מקרינים גז בלייזר, הלייזר פוגע באלקטרון ומעיף אותו מהגז, ובגלל תופעות קוונטיות, אפשר לדמיין שהאלקטרון עף החוצה, חוזר, פוגע בעצמו ומעיף את עצמו שוב, וככה הוא מחזיר לייזר יותר מהיר מהפגיעה המקורית. הידע הקוונטי הוא מדהים".
נבו מדגיש כי לגילויים של שלושת הזוכים, חשיבות גדולה במחקרים במגוון תחומים. "ברגע שיש היכולות לייצר לייזרים מהירים, אפשר להשתמש בהם כדי לחקור תופעות וגם כדי לשלוט על תהליכים - לייצר מולקולות שלא היינו יכולים לייצר עד עכשיו לצורכי רפואה וביולוגיה, או מערכות אחרות המבוססות על ננו-חומרים, מקולטי שמש ועד זיכרון מחשב".