עולם אומנויות הלחימה, רק מהר.
לפעמים, נניח זמן קצר מאוד, המתואר כ"זמן פעימות הלב", ומשך פעימות הלב הוא 10 בחזקת 18 של שניה.
בניסוי שנערך לאחרונה בדומה לצילום סטופ מושן, צוות מדענים מארצות הברית וגרמניה לכד לראשונה "פריימים הקפאה" של אלקטרונים הנעים במים נוזליים בזמן אמת, והתוצאות פורסמו בכתב העת Science.
מומחים מחבר השופטים מסבירים את תוצאות המחקר של זוכי פרס נובל לפיזיקה לשנת 2023 בהכרזה על פרס נובל לפיזיקה לשנת 2023 בשטוקהולם, שבדיה, 3 באוקטובר 2023
לדברי המומחים, התוצאה מסמנת התקדמות גדולה בפיזיקה הניסויית, ומספקת צוהר למבנה האלקטרוני של מולקולות בנוזל בסקאלות זמן שלא ניתן היה להשיג בעבר באמצעות קרני רנטגן. בעבר, מדענים הצליחו לפתור תנועת אלקטרונים רק בסולם הזמן של פיקושניה (שניה אחת=1 טריליון פיקושניות). כעת, היכולת לחקור את התגובות האלקטרוניות של קרני רנטגן הפוגעות במטרה בסולם אטושניות מאפשרת לחוקרים להתעמק בתגובות כימיות הנגרמות מקרינה מהר פי מיליון משיטות קודמות.
כל הסימנים מצביעים על כך שהלייזר attosecond עשוי להיות המפתח לפתיחת העולם המסתורי של האלקטרוניקה.
מהי "אטוס שנייה"?
עבור אנשים רגילים, ה-attosecond הוא מושג מוזר ביותר.
למעשה, כבר בתקופת המדינות הלוחמות, הוגה הדעות המפורסם של סין, הגופה קאו הניח "ארבעה צדדים למעלה ולמטה אמר יו, עתיק ומודרני אמר זאוס", המבט הפשוט של החלל והזמן. עד היום, בחזית המחקר הפיזיקלי, החלל והזמן הם עדיין שני המימדים החשובים והיסודיים ביותר.
מבחינת החושים האנושיים, כאשר אובייקט נמצא בתנועה מהירה, התמונות שלו מטושטשות וחופפות, ולא ניתן לצפות בשינויים המתרחשים בפרק זמן קצר מאוד. לכן חשוב למדענים לפתח "חלונות זמן" מדויקים יותר כדי ללכוד או לתאר רגעים קצרים מאוד אלה.
במאה ה-19, הייתה שאלה שנדונה ועוררה ויכוחים בפיזיקה: כאשר סוס רץ, האם כל ארבע הרגליים עוזבות את הקרקע בו זמנית?
היזם האמריקאי לילנד סטנפורד התעניין מאוד בשאלה הזו. על מנת לאמת השערה זו, הוא פנה אל הצלם המפורסם אדוורד מיברידג'. באותם ימים עוד לא נולדה פונקציית הווידאו, כאשר זמן התגובה של תריס המצלמה עמד על 15 שניות, לפעמים אפילו עד דקה.
סוסים לא היו מאטים כדי לטפל בתריס המצלמה, והפרסות המקרקרות שלהם היו המכשול הגדול ביותר לאימות השערה זו. אדוורד מייברידג' לא ויתר כל כך בקלות, היה לו רעיון מבריק, לא רק לשפר את עיצוב תריס המצלמה, אלא גם הציב 12 מצלמות ומנגנונים על המסלול. בכל פעם שהסוס ניגש למצלמה, המנגנון היה מופעל ומתבצע צילום. בסופו של דבר הוא חיבר את 12 התמונות, שזה כל התהליך של ריצת הסוס.
בהתבוננות בתמונות החבורות, אנשים מצאו עד מהרה את התשובה לשאלה: כאשר סוס רץ, הוא אכן יכול לתפוס רגע - ארבע רגליו עוזבות את הקרקע בו זמנית.
ב-3 באוקטובר 2023, האקדמיה המלכותית השוודית למדעים הודיעה כי העניקה את פרס נובל לפיזיקה באותה שנה לפייר אגוסטיני, פרנץ קראוס ואן לוילייר על "השיטה הניסיונית שלהם להפקת פעימות אור אטושניות לחקר הדינמיקה של אלקטרונים בחומר."
"עכשיו אנחנו יכולים לפתוח את הדלת לעולם האלקטרונים. הפיזיקה של Attosecond נתנה לנו את ההזדמנות להבין את מנגנוני הבקרה האלקטרונית. השלב הבא יהיה לנצל אותם". כך אומרת אווה אולסון, יו"ר ועדת נובל לפיזיקה.
כשמדענים צללו את נקודת המבט שלהם לתוך עולם האלקטרונים, הם גילו שקצב השינוי במיקום ובאנרגיה משתנה בין אחת לכמה מאות אטושניות, כאשר אטושניה אחת היא מיליארדית השנייה. הטכנולוגיה של אור פועם אטושני היא סולם הזמן המהיר ביותר הזמין כיום לאנושות, והיא כמו סרגל, ככל שקנה המידה של הסרגל עדין יותר, כך הדיוק של הסרגל גבוה יותר.
יואן לנפנג, סגן מנהל המחלקה לתקשורת מדע וטכנולוגיה, בית הספר למדעי הרוח והחברה, אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין, אמר כי ניתן להבין את דופק האור האטו-שניה כעיקרון של מצלמה במהירות גבוהה, וכי דרושה מצלמה עם מהירות תגובה מהירה כדי ללכוד את הרגעים הנפלאים של תהליך התנועה של אדם. דופק האור ה-attosecond הוא "המצלמה המהירה" בחקר תגובה מיקרוסקופית.
בעבר, מגבלת הזמן לפולסי לייזר הייתה "פמטו-שניות", וזה הספיק כדי שאנשים יראו אטומים, אבל עבור אלקטרונים, רזולוציית הזמן של "פמט-שניות" הייתה כל כך גסה, שלפי סולם זה, ניתן היה להשיג רק אפקט דמוי פסיפס. פעימות האור הקוהרנטיות התקדמות מ-Fmtoseconds
ההתקדמות של פעימות אור קוהרנטיות מפמטו-שניות לאט-שניות אינה רק התקדמות פשוטה בקנה-מידה זמן, אלא חשוב מכך, היא מקדמת את יכולתם של אנשים לחקור את מבנה החומר מתנועת האטומים והמולקולות אל פנים האטומים, שם הם יכולים. לחקור את התנהגויות התנועה והקורלציה של אלקטרונים, מה שיוביל למהפכה גדולה בחקר הפיסיקה הבסיסית.
מה תביא אטושניה לאנשים רגילים?
יום אחד בשנת 1999 זכה אחמד חאווייר, פרופסור במכון הטכנולוגי של קליפורניה, בפרס נובל לכימיה על תגליתו. מחקרו של אקסבייר בשנות ה-80, באמצעות קרן לייזר כדי לצלם את התנודות של אטומים במצב המעבר, סייע למדענים לצפות באטומים ומולקולות בתהליך של תגובות כימיות ב"תנועה איטית", וכך לחקור את הטבע והמבנה של מצב מעבר. מסיבה זו, Xavier ידוע גם בתור "אבי הכימיה של הפמט-שניות".
מאז, מדענים הבינו שלייזרים, כמו ברק, יכולים לתפוס את הרגעים החולפים האלה. תגלית זו סיפקה את הבסיס התיאורטי לסדרה של מחקרים משבשים.
כיום, מהירות הלייזר הזה שודרגה פי אלף, תוך מימוש השינוי הדרסטי מפמטו-שניות לאט-שניות.
כיום, כאשר אנשים מזכירים לייזר פמט שנייה, הם יכולים לעתים קרובות לחשוב על היישומים הרבים המיוצגים על ידי ניתוח קוצר ראייה בלייזר פמט שנייה. וכאשר מדובר בלייזר אטושני, נראה שקשה לחבר את המונח הזה עם החיים היצרניים של אנשים רגילים.
יואן לנפנג אמר בכנות, "הלייזר a-second אינו שימושי כיום, היישום שלו רק החל, והוא עדיין תקוע במחקר בסיסי." עם זאת, אין זה אומר שלפעימת האור האטו-שניה אין פוטנציאל יישום, "הוא פותח דלת, אבל מה שנמצא מאחורי הדלת הזו עדיין צריך אותנו לחקור לעומק". הוא אמר.
אז מה יש מאחורי הדלת הזו?
מערכת אבלציה בשדה פעימה צולמה בביתן מדטרוניק באגף מכשור רפואי ושירותי בריאות ביריד ה-6 ב-5 בנובמבר 2023
"תנועת האלקטרונים אחראית על יצירת אור וכן על יצירה ושבירה של קשרים כימיים המשנים את מבנה הביו-מולקולות ותפקודן במערכות חיות, ולעיבוד מידע מהיר ככל האפשר... כיום, אנו משתמשים פעימות אור אטושניות כדי להבין טוב יותר תהליכים מיקרוסקופיים הכוללים אלקטרונים, אטומים ומולקולות ולגלות כיצד הם משפיעים על העולם המקרוסקופי." מוקדם יותר, לאחר שזכה בפרס וולף בפיזיקה, פרנץ קראוס קבע את הערך של יישומי הפיזיקה של אטושניה בצורה זו.
אווה אולסון, לעומת זאת, אמרה שפיזיקה של אטו-שנייה נותנת לנו את ההזדמנות להבין את מנגנוני הבקרה האלקטרונית, וסוללת את הדרך ליישומים פוטנציאליים בתעשיית המידע האלקטרוני והרפואה.
Wei Zhiyi, חוקר במכון לפיזיקה של האקדמיה הסינית למדעים, מאמין שניתן לשלב את הטכנולוגיה עם מוליכות-על, ננו-חומרים, תעשייה פוטו-וולטאית, תרופות, רפואת לייזר ותחומים נוספים כדי לקדם הבנה מעמיקה יותר של המבנה של חומר על ידי האנושות, מה שיוביל להתקדמות מהפכנית רלוונטית.
אין ספק, למרות שהיישום הנוכחי של פיזיקת אטו-שניות עדיין רחוק מהדמיון של אנשים מסוימים, יש לו מגוון רחב ביותר של תרחישי יישום.
הוא מספק לאנושות זוג "עיניים אינטליגנטיות" לחקור את העולם המיקרוסקופי.
בתמיכתו, תהליכים מיקרוסקופיים רבים לא ידרשו עוד "ראיות נסיבתיות" לאישור, אלא ניתן לצפות בהם ישירות: ניתן להשתמש בלייזר attosecond לצילום מגוון תהליכי תנועה במהירות גבוהה, כגון תגובות כימיות, בקנה מידה מולקולרי תנועה ותנועה בקנה מידה אטומי.
צילום תגובות כימיות בלייזר attosecond יכול לעזור למדענים להבין טוב יותר את מנגנוני התגובה ולשפר עוד יותר תהליכים כימיים. צילום תנועות של מולקולות ואטומים באמצעות לייזרים אטושניות יכול לחשוף את האינטראקציות והתהליכים הקינטיים שלהם, החשובים למחקר במדעי החומרים וביו-מדעים.
בתחום הביו-רפואה, למשל, טכנולוגיית ההדמיה ברזולוציה גבוהה של פולסים אטו-שניות צפויה לשפר את האבחון והטיפול המוקדם במחלות, ולספק פריצות דרך חדשות לחקר סרטן, מחלות נוירולוגיות ואתגרים רפואיים מרכזיים אחרים.
מובן שצוות פרנץ קראוס מנסה להשתמש גם בטכניקות פמט-שנייה ו-attosecond כדי לנתח דגימות דם ולזהות שינויים קטנים בהן. הם מנתחים האם השינויים הללו ספציפיים מספיק כדי להיות מסוגלים לאבחן בבירור את המחלה בשלב הראשוני של המחלה, לטכנולוגיה זו עשויה להיות השפעה משמעותית על חקר הסרטן ומחלות קשות אחרות.
האצה של "עידן האטוסקונד"?
בשנת 2021, מגזין Science פרסם "125 מהבעיות המדעיות החדישות ביותר בעולם", מתוכן יותר מ-10 צריכות להיפתר על ידי מדע מהיר במיוחד. הופעת פעימות אטושניות צפויה להוביל לחידושים מקוריים יותר במספר תחומים של מחקר מדעי ויישומי.
הלייזר האטו-שני, לא מתנת טבע, אלא נס מעשה ידי אדם.
הפיזיקאית הצרפתייה אן לויליה הייתה הראשונה שגילתה את הכלים לפתוח את עולם האטו-שניות. בשנת 1987, היא ערכה ניסויי יינון גז, אורך הגל של 1064 ננומטר של אור לייזר לתוך ארגון ועוד כמה גזים נדירים, נראה שהגז היה בצבע שונה מניסויים קודמים.
לאחר מכן היא פרסמה מאמר מפתח, שגילתה את התופעה של הרמוניות גבוהות שנוצרות על ידי קרינת לייזר חזקה של גזים אצילים, והשיגה את המבנה הספקטרלי האופייני של הרמוניות גבוהות, שרוחב הספקטרלי שלה הצליח לתמוך בפולסים בסדר גודל של אטושניות, וסיפקה התנאים המוקדמים לפריצת הדרך של פולסי לייזר לאטושניות. מאז, קריירת המחקר שלה והלייזרים האטו-שניות שלו כרוכים זה בזה, ו-16 שנים מאוחר יותר, היא הובילה צוות חוקרים לקבוע שיא עולמי לדופק הלייזר הקצר ביותר של 170 אטו-שניות.
שני המדענים האחרים שזכו יחד איתה בפרס נובל לפיזיקה הוסיפו גם הם ל"בניין ה-attosecond": פרנץ קראוס ההונגרי הוביל צוות חוקרים ליצור ולמדוד את דופק האור הראשון של האטו-שניה בשנת 2001, והשתמש בו כדי ללכוד את תנועה של אלקטרונים בתוך אטומים, מסמנת את לידתה של פיזיקת אטושניות. בנוסף, הצוות שלו הצליח לבודד פולסים שנמשכו 650 אטושניות, הפעם הראשונה שמדענים עוקבים בהצלחה אחר ניתוק אלקטרונים מאטומים. פייר אגוסטיני הצרפתי, מנהיג באינטראקציה של לייזרים בשדה חזק עם אטומים, וצוותו היו חלוצים בפיזיקה של אטושניות על ידי יצירת ומדידה של פעימות אור אטושניות בפעם הראשונה ושימוש בהם כדי ללכוד את תנועת האלקטרונים בתוך אטומים.
כיום, יותר מדענים מתחרים על המקום הראשון בתחום במקומות רבים בעולם.
במעבדה, התוצאות הפוריות שכיחות: בשנת 2022, חוקרים מאוניברסיטת מישיגן ומאוניברסיטת רגנסבורג בגרמניה שיתפו פעולה כדי ללכוד את תנועת האלקטרונים בתוך כמה מאות אטו-שניות, המהירות המהירה ביותר עד כה.
באותה שנה, צוות חוקרים מהמרכז לפוטוניקה מתקדמת במכון RIKEN למדע ולכימיה ביפן ואוניברסיטת טוקיו שיתפו פעולה כדי לפתח סוג חדש של אינטרפרומטר לטיפול בשוליים הנובעים מהפרעות אופטיות שמקורן בפולסים של אטושניה. והפרעה קוונטית למצבים אלקטרוניים בחומר. הם הדגימו את ההיתכנות של ערכת האינטרפרומטר על ידי פיצול פוסט-גנרטיבי של פולסים הרמוניים גבוהים באמצעות ניסויים באמצעות דגימות של אטומי הליום.
בנוסף, החלה בנייה בינלאומית ותחרות על מתקן לייזר attosecond. בתמיכת הפיזיקאי זוכה פרס נובל ז'רארד מורו ואחרים, האיחוד האירופי לקח את ההובלה בהונגריה בבניית מתקן האור הקיצוני האירופי-מקור אור אלטושני (ELI-ALPS), וקידם בניית חברות בעל שם בינלאומי כגון כמו Fastlite, Active Fiber ו-Light Conversion. חברות טכנולוגיות לייזר כגון Fastlite, Active Fiber, Light Conversion ועוד איטרציה ושדרוג מוצרים בעלי שם בינלאומי, טכנולוגיות הלייזר מהדור החדש ישחקו תפקיד חשוב בייצור מתקדם, מדע וטכנולוגיה להגנה לאומית ותחומים אחרים.
בסין, יחידות מחקר מדעיות רלוונטיות מבצעות בניית תשתית של מקורות אור אטו-שנייה בקנה מידה גדול, כמו המכון לפיזיקה של האקדמיה הסינית למדעים ומעבדת החומרים של אגם סונגשאן בדונגגוואן, מחוז גואנגדונג, אגם סונגשאן לבניית מרכז המדע attosecond. מובן כי לאחר השלמת מרכז זה צפוי להשיג את האינדיקטורים המקיפים המובילים הבינלאומיים.
