שלושה זוכים - מארצות הברית, מגרמניה ומשבדיה - יחלקו את הפרס: תרמו לחקר תהליכים אלקטרוניים הנמשכים מיליארדית של מיליארדית השנייה
שאלה שמלווה את האנושות עוד מהעת העתיקה היא: האם סוס דוהר מניף לרגע מסוים את כל ארבע רגליו באוויר?
התשובה לכך ניתנה רק במאה ה-19 על ידי חלוץ הצילום אדוארד מויברידג', שהצליח לצלם סוס דוהר בקצב פריימים גבוה מספיק. הוא גילה, אגב, שהתשובה לכך היא "כן".
ההבנה שעל מנת לצלם תהליכים מהירים נדרשת מצלמה מהירה, היא העומדת בבסיסו של פרס נובל בפיזיקה השנה. הפרס יוענק לשלושה מהחוקרים שתרמו לפיתוח שיטות לייצור הבזקי אור קצרים במיוחד, מיליארדית של מיליארדית השנייה. הפרס יחולק בחלקים שווים בין פייר אגוסטיני (Agostini) מאוניברסיטת אוהיו בארצות הברית, פרנץ קראוס (Krausz) ממכון מקס פלנק לפיזיקה במינכן, גרמניה, ואן ל'הוליייר (L’Huillier) מאוניברסיטת לונד בשוודיה. קראוס ול'הוליייר קיבלו בשנה שעברה את פרס וולף על עבודתם בתחום הזה.
הבזקי האור הקצרצרים מאפשרים למדוד ולחקור תהליכים שמתרחשים בסדרי גודל של אטו-שניות (attoseconds), כלומר 10-18 שניות. תהליכים שמתרחשים במהירויות כאלה כוללים למשל תנועה של אלקטרונים בתוך מולקולות, שינוי המטען החשמלי של חומרים, תופעות קוונטיות ועוד, ויש להם השפעה עצומה בכל תחומי החיים.
תרמו לפיתוח שיטות לייצור הבזקי אור קצרים במיוחד, שמשמשים בחקר תהליכים מהירים. מימין לשמאל: ל'הוליייר, קראוס ואגוסטיני | Nobelprize.org
עוצמה חזקה
במשך שנים רבות נחשבה יצירת הבזקי לייזר של אטו-שניות למשימה בלתי אפשרית. הפתרון התגלה בזכות תופעה בשם הרמוניות גבוהות: כשמקרינים לייזר חזק על חומרים מסוימים, הם פולטים קרינה בתדירות שהיא כפולה שלמה (הרמוניה) של התדירות המקורית.
אחת החוקרות הראשונות שהצליחה להפיק הרמוניות גבוהות כאלה באופן מבוקר הייתה אן ל'הולייר (L’Huillier) מצרפת, שעבדה אז במכון צרפתי לאנרגיות גבוהות ולאנרגיה גרעינית. בהמשך עברה ל'הולייר לשוודיה, והמשיכה לפתח שיטות ליצירת הבזקי לייזר קצרים יותר ויותר בתחום האטו-שניות. עד הניסויים של ל'הולייר, נהגו לתאר הרמוניות גבוהות באמצעות אופטיקה לא-ליניארית הפרעתית, הגורסת כי כאשר נוצרים פוטונים בעלי תדירויות גבוהות, העוצמה היחסית שלהם תהיה נמוכה למדי לעומת שדה הלייזר שמופעל על המערכת. בפועל, ל'הולייר הופתעה לגלות כי העוצמה היחסית של ההרמוניות הגבוהות היא חזקה למדי, בניגוד מוחלט לחיזוי מהאופטיקה ההפרעתית. מכאן, נולד הצורך בתיאור עיוני מדויק יותר של התופעה.
ב-1993 וב-1994 התפרסמו שלושה מאמרים מכוננים שניסו להסביר את התופעה. המאמר הראשון, מאת קן קולנדר (Kulander) ועמיתיו, הציע כי יש "תדירות קטעון" (cutoff frequency) לכל ספקטרום הרמוניות גבוהות, והתדירות הזו תלויה באטום או במולקולה עמה עובדים וכן בעוצמת השדה החשמלי (הלייזר) שמופעל עליה. קולנדר ועמיתיו טענו כי ניתן להסביר את יצירת ההרמוניות הגבוהות באמצעות פיזיקה קלאסית, בתהליך בן שני שלבים.
קולנדר פרש זמן קצר לאחר מכן ממדע מסיבות אישיות, והמאמר הזכור יותר הוא של פיזיקאי הפלזמה הקנדי פול קורקם (Corkum), שתרומתו לתחום נוכחת-נפקדת היום, אך הוא היה שותף לזכייה של פרנץ ול'הולייר בפרס וולף. קורקם הציע את המודל המקובל ביותר כיום, מודל שלושת השלבים: בשלב הראשון הלייזר גורם לשחרור של חלק ממטען האלקטרון במנגנון שנקרא מִנְהוּר קוונטי, ולאחר היינון, החבילה האלקטרונית הזו מואצת בעזרת השדה החשמלי, כך שתנועתו בשלב זה ניתנת לתיאור קלאסי לחלוטין, באמצעות החוק השני של ניוטון. בשלב השלישי, השדה ששחרר חלק מהאלקטרון הוא גם השדה שמחזיר את האלקטרון למקומו; ההתנגשות של האלקטרון עם עצמו (כן, במכניקת הקוונטים זה אפשרי) מלווה בפליטה של אנרגיה קינטית בצורה של פוטון בתדירות גבוהה. התחלנו את התהליך עם פוטון בתדירות אינפרה-אדום, תדירות נמוכה יחסית, וסיימנו אותו כשבידינו אוסף של פוטונים בעלי תדירות שיכולה להגיע לתחומי הרנטגן העמוק.
על המאמר השלישי, אגב, חתומים ל'הולייר, קורקם ונוספים. המודל שהם הציעו, ונקרא כיום "מודל לוונשטיין" מציע בסיס מתמטי סדור ואלטרנטיבי למודל שלושת השלבים. המודל שלהם מתבסס על קירוב פיזיקלי ידוע בשם "הפאזה הסטציונרית".
כמה קטנה אטו-שניה? באותה מידה ששניה קטנה מגילו של היקום | © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
מתיאוריה למעשה
הראשונים שיצרו בפועל הבזקי לייזר באטו-שניות היו הפיזיקאי האוסטרי-הונגרי פֶרֶנְץ קראוס ופייר אגוסטיני, בעבודותיהם בשנת 2001. במחקרים שבוצעו בנפרד הם הצליחו להראות כי ההרמוניות הגבוהות אכן מפיקות הבזקי לייזר קצרצרים (Attosecond Pulse Train), ואף למדוד באמצעותם תופעות כמו יינון של אטומים, כלומר פליטה או קליטה של אלקטרון שמשנה את המטען החשמלי של האטום.
עבודותיהם של ל'הולייר וקראוס ייסדו למעשה בשלושת העשורים האחרונים את מדע האטו-שניות, שמאפשר כיום להבין לעומק את התהליכים הבסיסיים ביותר המתרחשים באטום. בעתיד, בזכות מחקריהם, הוא עשוי לאפשר גם לשלוט בתהליכים האלה ולקדם שלל פיתוחים שייעשו באמצעותם, מאלקטרוניקה מתקדמת ועד שיטות חדשות לייצור תרופות.
בעזרת ההבזקים הקצרצרים ניתן למדוד באמצעותם תופעות כמו יינון של אטומים. אילוסטרציה של קרן אור תופסת אטומים במהלך יינון | © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
ארנב פיזיקלי
מעבר לכך, הזוכה השלישי, פייר אגוסטיני, הוא גם מפתחה של שיטת ראביט (RABBIT - The Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon transitions), שיטה לשחזור פאזה של שדות לייזר חזקים. נושא זה איננו מנותק כלל ועיקר מפיזיקה של אטו-שניות, אך כרוך בבעיה ותיקה יותר המכונה "בעיית שחזור הפאזה". באופן כללי, לגלים ולשדות יש עוצמה ויש פאזה אשר שתיהן יחד מניבות את התיאור הפיזיקלי המלא. בעוד עוצמה ניתנת למדידה, פאזה היא מונח מעט חמקמק המתארת את המצב או המופע הרגעי של הגל, והיא מאתגרת למדידה במעבדה מכיוון שגלאים סטנדרטיים אינם רגישים לה אלא רק יודעים לכמת את כמות האור שפגעה בהם.
לאורך השנים הומצאו מספר שיטות ואלגוריתמים לשחזור הפאזה, לכולם שמות של חיות - פרוג, ראביט, ספיידר (הומור של פיזיקאים). כל אלגוריתם הוא מעט שונה, אולם כל האלגוריתמים מבוססים על התאבכות בין קרניים שמגיעות מאותו הלייזר אך במופע שונה. ראביט היא אחת מהשיטות האלה, והיא משמשת כיום במעבדות החוקרות תהליכים אולטרה-מהירים.
חוקרים נודדים
אן ל'הוליייר נולדה ב-1958 בפריז. היא למדה לדוקטורט במכון המחקר לאנרגיה אטומית בצרפת, ואז המשיכה בלימודיה בשוודיה ובארצות הברית. ב-1986 חזרה לצרפת ולמכון המחקר, וב-1994 עברה לשוודיה, לאוניברסיטת לונד, שם היא עובדת עד היום. ל'הוליייר זכתה בפרסים רבים, בהם כאמור פרס וולף בפיזיקה בשנת 2022. ל'הולייר היא האישה החמישית בהיסטוריה שזכתה בפרס נובל בפיזיקה, והשלישית בשש השנים האחרונות.
פרנץ קראוס נולד ב-1962 במור שבהונגריה. הוא למד פיזיקה תיאורטית באוניברסיטת אטווש לוראנד והנדסת חשמל באוניברסיטת בודפשט לטכנולוגיה, ולאחר מכן השלים את לימודיו באוניברסיטת וינה לטכנולוגיה באוסטריה, שם גם קיבל משרת פרופסור. ב-2003 הוא קיבל משרה במכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית סמוך למינכן בגרמניה, וב-2004 מונה לראש המחלקה לפיזיקה ניסיונית באוניברסיטת מינכן.
פייר אגוסטיני נולד ב-1941 בצרפת, וב-1968 קיבל תואר דוקטור מאוניברסיטת אייס-מרסיי. עד 2002 הוא עבד, בתפקידים שונים, במכון המחקר לאנרגיה אטומית שבו עבדה גם ל'הוליייר. ב-2005 הוא קיבל משרת פרופסור באוניברסיטת אוהיו סטייט בארצות הברית, שם הוא עובד עד היום.
