לקריאת הכתבה

נובל בפיזיקה: יישומים של אור

פרס נובל יוענק לשלושה חוקרים שהשיגו פריצות דרך בתחום הלייזרים ויישומיהם. בפעם הראשונה מאז 1963: אשה תקבל נובל בפיזיקה

פרס נובל בפיזיקה יוענק השנה לשלושה חוקרים שפיתחו שהשיגו פריצות דרך בתחומי הלייזרים, המשמשות כיום במגוון רחב של יישומים, ממחקר ועד רפואה. מחצית הפרס תוענק לארתור אשקין (Ashkin) מארצות הברית על פיתוח "מלקחיים אופטיים", מכשיר לייזר חזק הממוקד בנקודה קטנה, מכשיר שיש לו יישומים רבים בפיזיקה וכן בתחומים מדעיים אחרים בהם כימיה וביולוגיה.

המחצית השניה תחולק בין ז'ראר מורו (Mourou) מצרפת ודונה סטריקלנד (Strickland) מקנדה, על פיתוח שיטה לייצר הבזקי אור קצרים וחזקים מאוד, גם היא בעלת יישומים רבים, בין השאר ברפואה. סטריקלנד תהיה האשה השלישית בהיסטוריה המקבלת פרס נובל בפיזיקה, והראשונה מאז 1963, אז זכתה בפרס מריה גופרט מאייר. כלת פרס נובל הראשונה בפיזיקה הייתה מארי קירי, שזכתה בפרס ב-1903. 

פריצות דרך בעזרת לייזרים. מימין: סטריקלנד, מורו ואשקין | מקור: אתר פרס נובלפריצות דרך בעזרת לייזרים. מימין: סטריקלנד, מורו ואשקין | מקור: אתר פרס נובל

מלקחיים של אור

נדמיין אור עובר דרך חרוז זכוכית קטן. במעברו של האור מהאוויר שבחוץ אל החומר השקוף, וביציאה בחזרה החוצה, הוא משנה את כיוון ההתקדמות שלו, תופעה שהפיזיקאים קוראים לה "שבירה" של האור. בתיאור אחר, אנו אומרים שהאור מעביר מקצת מהתנע שלו לחומר השקוף. בתגובה, החומר השקוף זז בכיוון ההפוך, בהתאם לחוקי ניוטון. התוצאה היא שהאור משנה את כיוונו לכיוון אחד, בעוד שהחומר השקוף מתקדם בכיוון ההפוך. כלומר, אפשר להפעיל כוח על גולת הזכוכית שלנו בעזרת קרני אור בלבד.

ארתור אשקין נולד ב-1922 וסיים תואר דוקטור באוניברסיטת קורנל ב-1952. בשנות השמונים כשעבד במעבדות המחקר של חברת "בל" האמריקאית, הבין שכדי להפעיל כוח משמעותי על עצמים זעירים יש להשתמש באור חזק וכיווני, כלומר אור שמתקדם באלומה שנעה בכיוון אחיד, וכן למקם עדשה בדרכה של הקרן כך שהיא תתמקד בנקודה קטנה מאוד.

אינטואיטיבית אפשר להבין את הדרישה למקור אור חזק וכיווני: אם אנחנו מעבירים הרבה אור דרך החומר השקוף, אפשר לקבל את הקביעה שיותר אור מעביר יותר תנע אל החומר שאנחנו רוצים לדחוף. הדרישה למיקוד האור נובעת מהרצון לכלוא את החלקיק בנקודה אחת במרחב. כאשר הקרן מתמקדת בנקודה אחת, עוצמת האור שם היא החזקה ביותר והכוחות פועלים לכיוון הנקודה שבה העוצמה מירבית.

אשקין הדגים כיצד אפשר לגרום לחרוזי זכוכית זעירים לרחף באמצעות לייזרים כאלה, אבל מדענים אחרים הפכו את הכלי שפיתח לשימושי במגוון תחומים מדעיים. באמצעות מערכות לייזר מתאימות אפשר למשל לתפוס ולהזיז תאים חיים, ואפילו נגיפים, תחת עדשת המיקרוסקופ. במעבדות פיזיקליות, הכלי שפיתח מאפשר לכלוא במקום אחד אטומים יחידים, ובכך סלל את הדרך לפרסי נובל רבים אחרים למשל ביצירה של מצבי צבירה אקזוטיים של חומר כמו "עיבוי בוז-איינשטיין" שעל ההדגמה הנסיונית שלו הוענק פרס נובל בפיזיקה ב2001.

השימוש באור הממוקד מאפשר להזיז עצמים שונים, ואפילו חומרים ביולוגיים, כמו תאים | מקור: אתר פרס נובל
השימוש באור הממוקד מאפשר להזיז עצמים שונים, ואפילו חומרים ביולוגיים, כמו תאים | מקור: אתר פרס נובל

הבזקים קצרים וחזקים

חציו השני של הפרס השנה יוענק לז'ראר מורו ודונה סטריקלנד שפיתחו טכניקה לייצור הבזקים חזקים מאוד וקצרים מאוד של אור לייזר. כאשר צלם טבע מעוניין לצלם ציפור בתעופה, הוא צריך לחשוף את חיישן המצלמה לזמן קצר מאוד, אחרת התמונה נמרחת. מאחר שזמן החשיפה קצר מאוד, יש להשתמש במבזק (פלאש) שמסוגל לייצר הרבה אור בפרק זמן קצר. לייזרים מהירים הם סוג של "פלאש" אולטימטיבי, שמאפשר מדידה של תופעות פיזיקליות מהירות מאוד. בעוד שזמן ההבזק של מצלמה נמדד בעשיריות או מאיות שניה, אורך הבזקי הלייזר נמדד בפמטו-שניות (כלומר 0.000000000000001 שניות, או מיליונית של מיליארדית השנייה), מהיר יותר לאין שיעור. 

במשך שנים רבות חוקרים רצו לפתח הבזקי אור חזקים ומהירים. אחד ממוקדי המשיכה הניסיוניים הוא במחקר של אופטיקה "לא לינארית". כאשר אופטיקאים אומרים שחומר מתנהג בצורה לא לינארית הם מתכוונים למשל לחומרים שמגיבים לאור שעובר דרכם ולמשל משנים את צבעו. בדרך כלל אלה תופעות שקורות כאשר עוצמת האור גבוהה, אבל יש קושי לייצר אור רב עוצמה ששומר על עוצמת אור קבועה. לפעמים קל יותר לייצר הבזקים קצרים אך רבי עוצמה, כך שכל הבזק מסוגל לעורר תופעות לא לינאריות, אבל בממוצע עוצמת הלייזר אינה גדולה.

כדי לייצר הבזקים רבי עוצמה משתמשים במגברי אור, שדומים מאוד ללייזר באופן פעולתם. לכן, אפשר היה לדמיין שאם רוצים הבזק חזק מאוד, כל מה שצריך הוא לשרשר מספיק מגברים עד שמקבלים את העוצמה הנדרשת. הבעיה היא שבשלב מסויים העוצמה (צפיפות ההספק) כה גדולה עד שהחומר שהמגבר עשוי ממנו פשוט נשרף. מורו וסטריקלנד עקפו את הבעיה בדרך מחוכמת ביותר. 

דונה סטריקלנד, כיום פרופסור באוניברסיטת ווטרלו בקנדה, נולדה ב-1959 בעיר גלף. היא השלימה תואר ראשון בהנדסה פיזית ב-1981 באוניברסיטת מקמסטר הקנדית, והמשיכה ללימודי דוקטורט באוניברסיטת רוצ'סטר בארצות הברית, בהדרכת מורו, שם הם עשו את פריצת הדרך המשותפת. מורו נולד באלברוויל שבצרפת ב-1944, והשלים דוקטורט באוניברסיטת גרנובל. משם המשיך לכמה תפקידים בארצות הברית, וב-1977 קיבל משרה באוניברסיטת רוצ'סטר. 

צפיפות ההספק

"צפיפות הספק" משמעותה כמה עוצמה מפוזרת במרחב, כלומר: כמה עוצמה יש בקרן הלייזר לכל יחידת שטח. במוקד של קרן לייזר שעוברת דרך עדשה, צפיפות ההספק גדולה ממה שהייתה לפני העדשה, או במילים פשוטות יותר העדשה ממקדת את הקרן. כאמור, קרן לייזר שצפיפות ההספק שלה גדולה יכולה לגרום לנזק למגבר, בדיוק כפי שאור שמש ממוקד בעזרת זכוכית מגדלת יכול לשרוף דף נייר. כדי להתגבר על בעיית צפיפות ההספק המציאו מורו וסטריקלנד שיטה בשם CPA (קיצור של Chirped Pulse Amplification). הרעיון נשמע פשוט: אם קרן ממוקדת יוצרת נזק, נפרוש את הקרן על פני שטח גדול, נגביר אותה כשהיא פרושה, ואז נשלב בחזרה את החלקים שלה. 

הבזק, מתיחה, הגברה, ודחיסה בחזרה: תרשים עקרוני של מערכת CPA ליצירת הבזקים קצרים וחזקים | מקור: אתר פרס נובל
הבזק, מתיחה, הגברה, ודחיסה בחזרה: תרשים עקרוני של מערכת CPA ליצירת הבזקים קצרים וחזקים | מקור: אתר פרס נובל
 

אבל איך אפשר למתוח קרן אור? זה נשמע מוזר מאוד. כדי לשנות את צורתה של הקרן אפשר להשתמש ברכיב אופטי שמפזר את האור לצבעים שמהם הוא מורכב. סטריקלנד ומורו השתמשו בשריג צפוף, שפועל כמו מנסרה הפורסת אור לבן לשלל צבעי הקשת. לייזר מהיר מייצר הבזק קצר שפוגע בשריג ומתפזר. ההבזק המפוזר עכשיו ממוקד פחות ואפשר להעביר את חלקיו דרך מגברים בלי להרוס אותם. אחרי שההבזק המפוזר עובר דרך המגבר הוא פוגע בשריג נוסף, כך שרכיביו משתלבים בחזרה, כמו להחזיר את צבעי הקשת דרך המנסרה כדי ליצור אור לבן. ההבזק המורכב חזק ביותר, עם הספק מרבי שנמדדת בטרה-וואטים (כמו אלף תחנות כוח שפועלות יחד), אבל למשך פרקי זמן קצרים מאוד, כאמור - שברירי שניות בלבד. 

מערכות מבוססות CPA הן כלי עבודה חזק במעבדות רבות בעולם. ההבזקים הקצרים מאפשרים למשל לחקור את תנועתם של אלקטרונים סביב אטומים ואת הדינמיקה של יצירת קשרים כימיים (למשל, עבודתה של נירית דודוביץ' במכון וייצמן). בתחום מאיצי החלקיקים, חוקרים מנסים להשתמש בעוצמתם הגדולה של ההבזקים האלה לבניית דור חדש של מאיצי חלקיקים שעשויים להחליף את התכנון המסורתי של מאיצים באורך עשרות קילומטרים (כמו המאיץ של CERN בז'נבה) בהתקנים קטנים הרבה יותר שעשויים להיות שימושיים במחקר פיזיקלי, וכן בפיתוח מכשירים רפואיים להקרנות ודימות. כבר כיום ניתוחי עיניים לתיקון ראייה (LASIK) משתמשים בלייזרים מהירים מבוססי CPA, ואנשים רבים חבים את השיפור באיכות חייהם לפיתוח של סטריקלנד ומורו. 

צפו בהכרזה על הזוכים בפרס נובל בפיזיקה (באנגלית ובשבדית):