מזה שנים רבות, שואפים המדענים לחזות באטום בודד במהלך תנועתו, ואולי אף להצליח ולצפות באלקטרונים בודדים, והתנהגותם במהלך תהליכים כימיים וביולוגים.
כלל ידוע באופטיקה, אומר כי על מנת לצפות בעצם כלשהו, עליך להשתמש בקרינה בעלת אורך הגל בסדר גודלו של העצם, או קטן ממנו. על מנת לצפות באטומים, יש לפתח לייזר, אשר יפלוט קרינה אלקטרו-מגנטית באורך גל קצר ביותר, בתחום קרינת ה-X-Ray.
בימים אלו, עמלים המדענים על פיתוחו ובנייתו של לייזר ענק, אשר יפלוט קרינת X-Ray, בקצב גבוה במיוחד, ובכך יאפשר למדענים הן רזולוציה מרחבית מדהימה, אשר תאפשר לצפות באטומים בודדים, והן רזולוציה זמנית חסרת תקדים אשר תאפשר צילום סרטי וידאו של תהליכים אשר אורכים מספר פמטושניות בלבד (מילונית ממילארדית השניה), כדוגמת תנועתו של אלקטרון מסביב לגרעין האטום.
לייזר שכזה יתבסס על טכנולוגיתFEL - "לייזרי אלקטרונים חופשיים (Free electron Lasers). שמו של הלייזר נגזר מן העובדה כי האלקטרונים, הפולטים את קרינת הלייזר, נעים בחופשיות בחלל הלייזר, ואינם מוגבלים על ידי תווך כלשהו. כיום נעשה שימוש בטכנולוגיה זו על מנת לייצר לייזרים בתחום קרינת המיקרוגל, בעיקר לשם שימוש רפואי וצבאי.
הFEL- פועל באופן הבא - תחילה מואצים אלקטרונים באמצעות מאיץ חלקיקים, למהירות הקרובה למהירות האור. לאחר מכן עוברים האלקטרונים דרך מערך של מגנטיים, אשר מאלץ אותם לשנות את מסלולם ולנוע לאורך מסלול הדומה לצורת גל סינוס. מאחר ומהירותם של האלקטרונים משתנה כל הזמן לאורך המסלול (כיוון המהירות הוא שמשתנה), הם פולטים גלים אלקטרומגנטים (synchrotron radiation). צורת המסלול, גורמת לאור להיפלט בצורה קוהרנטית, בדומה ללייזר רגיל. אורך הגל של הקרינה הנפלטת תלוי באורך המחזור של גל הסינוס אשר האלקטרון מאולץ לנוע לאורכו, ועומד ביחס הפוך לריבוע אנרגיית האלקטרון, אשר נקבעת על ידי מאיץ החלקיקים.
על מנת לקבל קרינה בתחום ה-X-Ray, בעלת אורך גל של כאנגסטרם - מסדר הגודל של אטום בודד, יש להעניק לאלקטרונים אנרגיה של של כ-15 ג'יגה אלקטרונוולט, ולהגביל את תנועתם למסלול בעל אורך מחזור של סנטימטרים בודדים. עובדה זו מקשה על ייצור FEL מתאים, ומאלצת להגדיל באופן ניכר את מימדיו, ואת עלותו.
אב הטיפוס הראשון, הנבנה בימים אלו במרכז למאיצים ליניאריים שבסטנפורד (SLAC), צפוי להשתרע על פני למעלה מ2 קילומטרים, ועלות בנייתו מוערכת בכ300 מיליון איורו.
לייזר נוסף מתוכנן, ואמור להבנות בשנים הקרובות בהמבורג, והוא צפוי להיות ארוך יותר, ויקר אף יותר, ועלותו מוערכת במיליארד יורו.
עלותו וגודלו של הFEL עלולים להגביל את השימוש בטכנולוגיה זו, ולכן המאמץ להקטינם הינו חשוב ביותר. במקביל לבנייתם של מכשירים מאסיביים אלו, מתוכנן בימים אלו לייזר FEL נוסף אשר ייבנה ביפן ויפלוט תדרים בתחום האולטרא סגול (uv) הגבוהה, כלומר אורך גל ארוך במקצת מקרינת הX-Ray אולם ינצל טכנולוגיות חדשות על מנת להקטין משמעותית את גודלו ועלותו.
הכיוונים הנחקרים לשם הקטנת אורכו ועלותו של הFEL מתרכזים בעיקר סביב שינוי במאיץ החלקיקים, והינם:
א) הקטנת אנרגיית האלקטרונים והקטנת אורך מחזור המסלול ביחס אשר לא ישנה את אורך קרינת הגל הנפלט, אך יביא להקטנת והוזלת מאיץ החלקיקים, ולהקטנת מסלול האלקטרונים, והמגנט המכופף את מסלולם.
ב) שימוש בטכנולוגית מאיצים חדשה, אשר תקטין ותוזיל את המאיץ
ג) שימוש במקורות אלקטרונים טובים יותר, אשר יספקו אלקטרונים בצפיפות גבוהה יותר, ועם תנע אחיד יותר, דבר אשר יאפשר את הקטנת אנרגיית האלקטרונים, ובכך הקטנת מאיץ החלקיקים.
פיתוחם של לייזרי הFEL, מעלה את התקווה כי בשנים הקרובות, ייכנס המדע לעידן חדש, בו יוכלו המדענים לצפות ולצלם תהליכים בסיסים בעת התרחשותם, וללמוד מידע חשוב וחדש על עולמנו
בבליוגרפיה
1. Photonics: Illumination for atomic movics
Claudio Pelegrin
Nature 455, 297-299 (2008)
2. Shintake, T. et al. Nature Photonics 2, 555-559 (2008).
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_laser
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיזיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
