האור שמחבר אותנו

חוקרים הצליחו לאחרונה לייצר מולקולה של שני אטומים בעזרת מעין מלקחיים מקרני לייזר. המלקחיים אחזו בשני האטומים וקירבו אותם זה לזה עד שנוצר קשר כימי ביניהם.

תגובות כימיות רגילות מערבות שבירה של קשרים בין אטומים ויצירת קשרים חדשים, אך אלו קשרים שנוצרים מהתנגשויות אקראיות בין האטומים שבתערובת. הרבה מאוד אטומים מתנגשים זה בזה, ורק חלק זעיר מההתנגשויות מוביל לתגובה כימית שמסתיימת במולקולה חדשה. הייחוד בניסוי הוא שכאן החוקרים יצרו בכוונה תחילה את הקשר בין שני האטומים, באופן ספציפי ומלאכותי.

זוהי התגובה הכימית המדויקת ביותר שנערכה אי פעם, היות שהיא כללה אך ורק את שני האטומים. לצורך זה השתמשו החוקרים במלקחיים אופטיים – מתקן שלוכד כמות קטנה של חומר, או אפילו אטום בודד, בעזרת קרן לייזר. קרינת האור מפעילה כוח על המשטח שבו היא פוגעת. הכוח הזה קרוי לחץ הקרינה ובדרך כלל הוא זניח, אך בקנה המידה של אטום בודד, הקרינה מפעילה כוח גדול מספיק כדי להחזיק אטומים במקום בצורה יציבה. המלקחיים האופטיים פותחו כבר לפני כמה עשורים, ונעשה בהם שימוש ככלי מחקרי.

החוקרים השתמשו במלקחיים אופטיים כדי להחזיק במקום אטום נתרן (Na) יחיד, ובעזרת מלקחיים אופטיים אחרים החזיקו אטום צזיום (Cs) יחיד. כדי ללכוד את האטומים קיררו אותם לטמפרטורה של פחות מאחד חלקי עשרת אלפים מעלות (0.0001°K) מעל האפס המוחלט, שהוא הטמפרטורה הנמוכה ביותר שיכולה להתקיים.

בטמפרטורה כה נמוכה, תנודות האטומים קטנות מאוד ואפשר להחזיק אותם יחד בבטחה בלי שיימלטו מהמלקחיים. בשלב הזה הפגישו החוקרים את שתי קרני הלייזר של המלקחיים וכיבו אחת מהן, כך ששני האטומים נותרו לכודים בקרן השנייה.

כדי שיוכלו להגיב נזקקו האטומים הקרים לאנרגיה נוספת, שסופקה להם על ידי קרן אחרת. כשזאת הוקרנה עליהם היא גרמה להם ליצור קשר ולהתחבר למולקולת נתרן-צזיום, NaCs. האור בקרן החדשה היה באנרגיה גבוהה יותר מהקרניים הקודמות, כלומר אורך גל קצר יותר, והוא נחוץ כדי לעורר את האטומים למצב פעיל יותר שבו יוכלו להגיב.

מתקן הניסוי באוניברסיטת הרווארד. בחלק המוגדל: אטום הנתרן ואטום הצזיום | Lee Liu and Yu Liu, Harvard University
 

זו הפעם הראשונה שהצליחו לייצר מולקולה על ידי הצמדה מכנית של האטומים המרכיבים אותה. התגלית תאפשר לחקור בעתיד תגובות בין אטומים בודדים באופן מבוקר ומפורט יותר, ולהרחיב את הידע שלנו בכל הקשור לאינטראקציות של אטומים בודדים.

בסופו של דבר, טוענים החוקרים, ייתכן שנמצא דרכים להשתמש בטכניקה הזאת ליצירת מולקולות שיתאימו ליישומים קוונטיים, והיא עשויה לסייע בעתיד ביצירת קיוביטים – אבני הבניין של מחשב קוונטי. למעשה, כבר למולקולת הנתרן-צזיום שיוצרה בניסוי יש פוטנציאל כזה, ולכן בחרו בה החוקרים מלכתחילה לצורכי הניסוי. השיטה החדשה עשויה גם לסייע בעתיד ביצירת מכונה שתוכל לסנתז מולקולות באופן מכני, דבר שעשוי לאפשר לנו לייצר מולקולות שקשה מאוד לקבל בדרכים כימיות רגילות.