המיקרוסקופ שיאפשר לענות על אחת החידות הגדולות בפיזיקה

השאלה מה קורה במפגש בין אור לאלקטרון היא אחת השאלות הכי בסיסיות בפיזיקה: האם הוא מתנהג כחלקיק או כגל? לשאלה הזאת יש גם השלכות יישומיות בעולם הרפואה, אבל כשד"ר עדו קמינר בנה את מיקרוסקופ האלקטרונים שלו, המטרה שלו הייתה קודם כול להבין מה קורה בתהליך הקוואנטי של כניסת ויציאת האנרגיה אל האלקטרון וממנו. איך בתוך התהליך הזה, האלקטרון משלב בין היותו חלקיק וגל. "זו החידה הכי גדולה בפיזיקה הקוואנטית ויש שיגידו בפיזיקה בכלל", הוא אומר.

"אנחנו יודעים שאלקטרון הוא גם גל וגם חלקיק, אבל לא יודעים מתי ואיך בדיוק הוא מפסיק להיות גל ומתחיל להיות חלקיק. ובמקרה הזה - האם כשאנחנו פוגעים באלקטרון עם קרן אור וגורמים לו להפיק קרינת רנטגן, הוא מתנהג כגל או כחלקיק? יש היום עדויות סותרות".

הדרך לבניית המיקרוסקופ שיחקור את התופעה לא הייתה חלקה. "כשהקמנו את המעבדה שבה הקבוצה שלי מבצעת את הניסויים שלנו, בהשקעה מאוד גדולה, אמרו לי חוקרים אחרים: למה צריך כזאת השקעה? תעשה את הניסויים בחו"ל. היום מצחיק לחשוב על זה", אומר קמינר, ראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים ע"ש רוברט ורות מגיד בפקולטה להנדסת חשמל בטכניון. בזכות המכשיר שהתעקש לבנות, הוא מצליח לחקור תופעת יסוד בפיזיקה הקוואנטיתלהראות שבמפגש עם אור, האלקטרון מתנהג כגל. המחקר של קמינר וקבוצתו התפרסם השנה בכתב העת Nature. 

בעקבות החוקר המצרי 

מכשיר שבנה קמינר הוא מיקרוסקופ אלקטרונים, שמשמש בדרך כלל כדי לחקור חלקיקים אחרים. הפעם, האלקטרונים עצמם היו לב המחקר. "מיקרוסקופ האלקטרונים הוא המכשיר שבזכותו, למשל, כולנו ראינו תמונה של וירוס הקורונה", אומר קמינר. "האלקטרונים עוברים דרך האטומים ונקלטים בצד השני, ולפי ההפרעה לתנועת האלקטרון, אנחנו לומדים מה היה בדרך. האלקטרון נושא בתוכו מעין תבנית של כל מה שעבר עליו.

"אנחנו אמרנו לעצמנו שבמקום לבחון איזו הפרעה נוצרה לאלקטרון כשהוא עובר דרך חלקיקי חומר אחרים, נבחון איך משתנה ההפרעה לאלקטרון חופשי כשהוא עובר דרך אור. בעצם אנחנו מייצרים אלקטרון בתוך המכשיר באמצעות קרן לייזר, ומודדים מה קורה לו בגלל המפגש עם האור שכלוא בתוך המערכת שלנו, כתלות בסוג האור שאנחנו משגרים לתוך המערכת. ומה שראינו הוא שהאלקטרון מתנהג כגל ולא כחלקיק לאורך כל המפגש".

נשמע כמו חתיכת גילוי.
"היו עדויות מוקדמות יותר לכך, אבל היו גם עדויות סותרות. מי שהראה את התופעה לראשונה הוא זוכה פרס הנובל אחמד זוויל ז"ל, שהיה המצרי הראשון לקבל פרס נובל במדעים, ובעל השפעה משמעותית בעולם החינוך והמדע, עד כדי כך שאפילו ציפו ממנו לרוץ לנשיאות מצרים בסוף תקופת מובארק. בשנות חייו האחרונות הוא פיתח שיטה חדשנית המשלבת מיקרוסקופיית אלקטרונים עם לייזר, והראה שכך אפשר לאפיין את השינויים החלים באלקטרון ברמות חסרות תקדים.

"השימוש בלייזר מאפשר ליצור מיקרוסקופ אלקטרוני עם חתימת זמן. היתרון של המערכת שלנו הוא האפשרות למדוד את ההפרעה לאלקטרון שעבר דרך חומר, וגם לשנות את סוג האור שבו אנחנו מקרינים אותו ואת התזמון. התוצאה היא שנוכל לראות תמונה כמו וידיאו, למשל איך אור זורם בתוך חומר. כלומר ראינו את ההפרעה שהאור יוצר על האלקטרון, כיצד היא משתנה במועדים שונים, ומתוך זה הבנו מה קרה לאור. זו תגלית לא פחות גדולה מזו של זוויל בתחום הזה.

"במבט קדימה, אחד היעדים הגדולים בתחום שלנו, שלקראתו אנחנו מתקדמים בחודשים האחרונים בצעדים גדולים, הוא לראות תהליכים של תנועה מהירה של חומר (ולא רק של אור). אפשר לדמיין שיום אחד נוכל לראות איך וירוס הקורונה חודר לתוך התא".

למערכת שבנה קמינר עשוי להיות גם פן יישומי ברפואה. "בני האדם מצליחים היום מאוד ביצירת קרינה בספקטרום של האור הנראה ושל רוב הגלים הארוכים ממנו, כגון תחום האינפרה אדום שתקשורת האינטרנט רצה עליו, או גלי המיקרו והרדיו, שעליהם מבוססת תקשורת הסלולר והלוויין - כולם סוגים של אור, וכל אחד מהם הוא עולם שלם של טכנולוגיה. לעומת זאת, כשאנחנו מייצרים קרינה באורכי גל קצרים יותר, לדוגמה רנטגן, היא באיכות מאוד נמוכה. למשל, היא מתפזרת לכל עבר, וגם מפוזרת בתדר שלה, כלומר אין לה 'צבע'. היא דומה יותר לפנס מאשר ללייזר. המעבדה שהקמנו מאפשרת לפתח טכנולוגיה שתעזור לייצר קרינת רנטגן איכותית וממוקדת". 

ד"ר עדו קמינר
בן 34 ● ראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים, הפקולטה להנדסת חשמל בטכניון ● המחקר הבא שלי: הדגמה של ייצור קרינת רנטגן מחומרים חדשים שנקראים ואן דר וואלס

מחקר בולט בתחום מחו"ל
"מחקר בהובלת פרופ' דיוויד ברנר מאוניברסיטת קולומביה, המתעד קרינה בתדר ספציפי בתחום האולטרה-סגול שיכולה להרוג וירוסים בלי לפגוע בבני אדם. הם עשו את העבודה הראשונה בנושא כבר לפני כמה שנים, אבל השנה הצליחו להביא עדויות חזקות שזו קרינה שאינה מזיקה לבני אדם"