גילויים חדשים על המנגנון שמחבר בין שתי תכונות של חלקיקים – ספין וכיראליות
בשנת 1999 פרסם החוקר רון נעמן, פרופסור לכימיה פיזיקלית במכון ויצמן למדע, מאמר בכתב העת Science ששילב בין ספין וכיראליות – שתי תכונות של חלקיקים שעד אותה עת לא ידעו שקיים ביניהן קשר. יחלוף עוד יותר מעשור עד שהאפקט שקושר בין שתי התכונות הללו יזכה את נעמן בהכרה הראויה לו בקהילת המדענים, בדמות אותות כבוד בינלאומיים.
לצד גילוי האפקט, שמאז נצפה בסדרה ארוכה של חומרים ומערכות, המנגנון המדויק שעומד מאחורי התופעה ברמה המיקרוסקופית טרם הובן עד סופו. כעת, לפי מחקר שהתפרסם בראשית השנה (2025) בכתב העת Science Advances, הצליחו החוקרים לזהות חלק עיקרי במנגנון, ולאמת את ההשערה שלהם בניסוי. את המחקר הובילו יוסי פלטיאל, דיקן הפקולטה למתמטיקה ומדעי הטבע באוניברסיטה העברית ועמית קרוב של נעמן, ואנג'לה ויטמן (Wittmann) מאוניברסיטת יוהן גוטנברג במיינץ שבגרמניה.
ספין? כיראליות? מה אלה בכלל?
כיראליות היא תכונה יסודית בכימיה. האטום, היחידה הבסיסית של כל יסוד כימי, הוא חלקיק שמורכב מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים מוקפים באלקטרונים. שני אטומים או יותר שמחוברים ביניהם נקראים מולקולה. כששתי מולקולות הן תמונת מראה זו של זו, בדומה לכפות הידיים שלנו, המבנה הכימי שלהן זהה – הן מורכבות מאותם אטומים, ואלה מקיימים אותם קשרים כימיים ביניהם – אך סידור האטומים במרחב ביחס למרכז המולקולה שונה, ולפיכך גם הפעילות הכימית והתכונות של שתי המולקולות. תמונות המראה האלה, שנקראות אננטיומרים, לא חופפות זו את זו. המילה כיראליות מגיעה מהמילה היוונית "כייר" (χειρ), שפירושה "ליד". ומולקולה שיש לה מולקולה תאומה זהה מבחינת הרכב אך הפוכה מבחינה מרחבית, נקראת מולקולה כיראלית.
ספין, לעומת זאת, הוא תכונה יסודית בפיזיקה קוונטית. מדובר בתכונה פנימית של חלקיקים, שיש המשווים אותה למעין תנע זוויתי של חלקיק טעון שמסתובב סביב עצמו. לאלקטרונים, למשל, יכול להיות ספין בשני מצבים בלבד, אשר מסומנים "למעלה" ו"למטה".
כששתי מולקולות הן תמונת מראה זו של זו, הן מורכבות מאותם אטומים – אך הסידור שלהם במרחב ביחס למרכז המולקולה שונה, ולפיכך גם התכונות שלהן. מולקולות כיראליות | Shutterstock, SANDIP NEOGI
הסלקטיביות של הספין
נעמן וקבוצת המחקר שלו גילו שהיכולת של אלקטרון לנוע דרך חומר כיראלי תלויה בספין שלו. הספין המועדף תלוי בכיראליות של המולקולה: עבור אננטיומר מסוים, כיוון הספין המועדף מקביל לכיוון המהירות של האלקטרון, ועבור האננטיומר האחר הכיוון המועדף מנוגד למהירות האלקטרון. היום האפקט הזה ידוע בתור "סלקטיביות ספין התלויה בכיראליות" (Chiral‐Induced Spin Selectivity, ובראשי תיבות CISS).
לאור האפקט הזה, מולקולות אורגניות כיראליות יכולות לשמש כ"מסנן ספין": נעמן ועמיתו זאב וָגֵר מהפקולטה לפיזיקה במכון ויצמן למדע, מצאו שגם DNA בטמפרטורת החדר הוא מולקולה כזאת, משום שהוא מקיים יחסי גומלין עם ספינים רק בכיוון אחד. הגילוי הזה מפתיע מכיוון שאפקטים קוונטיים בדרך כלל נצפים בטמפרטורות נמוכות מאוד – קרוב לאפס המוחלט – ונדיר למצוא אותם בטמפרטורות גבוהות יותר.
מולקולות אורגניות כיראליות, ביניהן גם DNA, יכולות לשמש כ"מסנן ספין". אילוסטרציה של הגדיל הכפול מסנן חלקיקים עם ספין מסוים | ill./©: Angela Wittmann
כיראליות שונה, כיוון שונה
על מנת לצלול לנבכי האפקט, במחקר הנוכחי בחנו פלטיאל, ויטמן ועמיתיהם את השפעתה של כיראליות על הספין של אלקטרונים במערכות היברידיות – מערכות שמשלבות מתכת ומולקולה כיראלית. את אפקט ה-CISS, כלומר את סלקטיביות הספין, הם בחנו על ידי כך שהמירו את הספין למטען חשמלי. ההמרה עצמה הושפעה מהותית מהכיראליות של המערכת ההיברידית.
החוקרים השתמשו בשדה מגנטי חיצוני ובזווית שלו ביחס למישור הדגימה כדי לשלוט בכיוון הספין. כשהמערכת ההיברידית, המורכבת ממולקולה כיראלית לצד מתכת, הכילה תערובת לא כיראלית של מולקולות, כלומר כמויות שוות בקירוב של שני האננטיומרים, לא הייתה תלות בין הספין לבין כיוון השדה המגנטי, כך שבמצב כזה אין סלקטיביות ספין. לעומת זאת, כשהמערכת הכילה רק אננטיומר אחד של המולקולה הכיראלית, הסימטריה נשברה והתגלתה חשיבותו של הספין במערכת הזאת.
מדידות נוספות הראו שהספין סלקטיבי במיוחד כשהוא מקביל לציר הכיראליות – זהו הציר שסביבו מסודרים האטומים באופן שיוצר כיראליות. הדבר מבהיר את תפקידו החשוב של אפקט קוונטי יסודי בשם "צימוד ספין-מסילה" (Spin-Orbit Coupling), שמקשר בין הספין למסלול התנועה של החלקיק בעל הספין.
הצימוד הזה משפיע מאוד על התכונות של מערכות קוונטיות, למשל על רמות האנרגיה של אלקטרונים בחומר – ומכאן על תכונות החומר בכללותן. למשל באטום המימן, שנחשב אחת המערכות הבסיסיות במכניקת הקוונטים: צימוד הספין-מסילה מייצג את יחסי הגומלין בין האלקטרון לגרעין האטום, ובפרט בין הספין של האלקטרון לתנע הזוויתי של הגרעין. במערכת ששימשה בניסוי היה צימוד בין הספין של האלקטרון לבין התנע הזוויתי המסלולי של המולקולה הכיראלית, שנובע מתנועה פיזית של המולקולה, ולא מספין. בדומה לצימוד הספין-מסילה באטום המימן, הצימוד הזה הוא מרבי כשצירי הספין והתנע הזוויתי מקבילים זה לזה.
החוקרים מציינים שעוצמת הצימוד ספין-מסילה במולקולות כיראליות קטנה מדי להסביר את סינון הספין המשמעותי שנצפה בניסויים, אך הצימוד מקיים יחסי גומלין עם המטען החשמלי בחיבור שבין המתכת למולקולות כיראליות, וכך גורם לאפקט CISS.
ואם אתם תוהים איך ממירים ספין למטען חשמלי, התשובה עוברת דרך אפקט הול: כששדה מגנטי מופעל על מוליך, נוצר מתח חשמלי בניצב לכיוון זרימת האלקטרונים במוליך. במקרה הזה, צימוד הספין-מסילה יוצר זרם חשמלי בניצב לכיוון הספין, ולכן האפקט נקרא "אפקט הול הספיני ההפוך".
בניסויים שלהם, אומרים החוקרים, נחשף טפח נוסף בהבנת המנגנון שמאחורי אפקט CISS. לאפקט הזה יש יישומים פוטנציאליים רבים, למשל בתעשיית הספינטרוניקה, שבה מנסים להשתמש במערכי ספינים לצורכי חישה ושמירת מידע.
