ייצוג סכמטי של מערך הניסוי המשמש לעיצוב אלקטרונים לסלילים כיראליים בעלי מסה ומטען. קרדיט: ד"ר Yiqi Fang, University of Konstanz, עורך
פיזיקאים מאוניברסיטת קונסטנץ גילו דרך להטביע צורה גיאומטרית שלא נראתה בעבר על גבי אלקטרונים באמצעות אור לייזר, תוך יצירת סלילים כיראליים של מסה ומטען.
לפריצת הדרך הזו במניפולציה של כיראליות אלקטרונים יש השלכות עצומות על אופטיקה קוונטית, פיזיקת חלקיקים ומיקרוסקופיה אלקטרונית, וסוללת את הדרך למחקרים מדעיים חדשים וחידושים טכנולוגיים.
הבנת כיראליות והשלכותיה
האם אי פעם הנחת את כף יד ימין על גב יד שמאל, באופן שכל האצבעות מצביעות לאותו כיוון? אם יש לך, אז אתה בוודאי יודע שהאגודל הימני שלך לא ייגע בעמיתו השמאלי. לא סיבובים ולא תרגומים ולא צירופים שלהם יכולים להפוך יד שמאל ליד ימין ולהיפך. תכונה זו נקראת כיראליות.
מדענים מאוניברסיטת קונסטנץ הצליחו כעת להטביע כיראליות תלת מימדית כזו על פונקציית הגל של אלקטרון בודד. הם השתמשו באור לייזר כדי לעצב את גל החומר של האלקטרון לסלילים שמאליים או ימניים בעלי מסה ומטען. לחלקיקים אלמנטריים מהונדסים כאלה עם גיאומטריות כיראליות מלבד הספין הפנימי שלהם יש השלכות על הפיזיקה הבסיסית, אך עשויים להיות שימושיים גם עבור מגוון יישומים, כגון אופטיקה קוונטית, פיזיקת חלקיקים או מיקרוסקופ אלקטרונים.
"אנחנו פותחים פוטנציאלים חדשים למחקר מדעי שלא נשקלו קודם לכן", אומר פיטר באום, מחבר המחקר המקביל וראש קבוצת המחקר של אור וחומר באוניברסיטת קונסטנץ.
כיראליות של יחיד חלקיקים וחומרים מרוכבים
אובייקטים כיראליים ממלאים תפקיד מכריע בטבע ובטכנולוגיה. בתחום החלקיקים היסודיים, אחת התופעות הכיראליות החשובות ביותר היא ספין, שלעתים קרובות משווים אותו לסיבוב עצמי של חלקיק, אך הוא למעשה תכונה קוונטית-מכנית גרידא ללא אנלוגי קלאסי. לאלקטרון, למשל, יש ספין של חצי ולכן קיים לרוב בשני מצבים פוטנציאליים: ימני ושמאלי. היבט בסיסי זה של מכניקת הקוונטים מוליד תופעות חשובות רבות בעולם האמיתי כמו כמעט כל התופעות המגנטיות או הטבלה המחזורית של היסודות. ספין אלקטרונים הוא קריטי גם לפיתוח טכנולוגיות מתקדמות כגון מחשבי קוונטים או מוליכים.
עם זאת, ישנם גם אובייקטים כיראליים מורכבים שבהם אף אחד מהמרכיבים אינו כיראלי בפני עצמו. היד שלנו, למשל, מורכבת מאטומים ללא כיראליות מסוימת, אך היא בכל זאת אובייקט כירלי, כפי שלמדנו קודם לכן. הדבר נכון גם לגבי מולקולות רבות שבהן מופיעה כיראליות ללא צורך בשום מרכיב כירלי. בין אם מולקולה נמצאת בגיאומטריה השמאלית או הימנית יכולה לעשות את ההבדל בין סם מרפא לחומר מזיק – לשתי הגרסאות יכולות להיות השפעות ביולוגיות שונות מאוד בגלל הגיאומטריה התלת מימדית השונה שלהן.
במדעי החומרים ובננופוטוניקה, כיראליות משפיעה על התנהגותם של חומרים מגנטיים ו מטא-חומרים, המוביל לתופעות כמו מבודדים טופולוגיים או דיכרואיזם כיראלי. היכולת לשלוט ולתפעל את הכירליות של חומרים מרוכבים המורכבים ממרכיבים אכיראליים מציעה אפוא כפתור עשיר לכוונון תכונות החומרים כנדרש עבור יישומים.
התקדמות בטכניקות מניפולציה של אלקטרונים
האם ניתן לעצב אלקטרון בודד לעצם תלת מימדי כירלי במונחים של מטען ומסה? במילים אחרות: האם ניתן להשרות כיראליות לאלקטרון ללא צורך בספין? עד כה, חוקרים העבירו רק אלקטרונים לאורך מסלולים ספירליים או יצרו אלומות מערבולת אלקטרונים שבהן השלב של גל דה ברולי מסתובב סביב מרכז הקרן במטען ובמסה קבועים. לעומת זאת, עצם הגל החומר הכירי שעליו מדווחים הפיזיקאים של קונסטנץ במאמר המדע שלהם יש גל דה ברולי שטוח, אך ערכי הציפיות של מטען ומסה מעוצבים בצורה כיראלית.
כדי ליצור את האובייקט הזה, הם השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני שידור מהיר במיוחד ושילבו אותו עם טכנולוגיית לייזר. החוקרים יצרו תחילה פעימות אלקטרונים של פמט-שניות ולאחר מכן עיצבו אותם לתבניות כיראליות על ידי אינטראקציה עם גלי לייזר מאופנים במדויק עם שדות חשמליים ספירליים. בדרך כלל, אלקטרונים ופוטוני לייזר אינם מקיימים אינטראקציה בניסוי כזה, מכיוון שלא ניתן לשמר אנרגיה ותנע. עם זאת, ממברנות סיליקון ניטריד, שקופות לאלקטרונים אך משנות את הפאזה של אור הלייזר, הקלו על האינטראקציה בניסוי.
השדות החשמליים הספירליים בגל הלייזר האיצו או האטו את האלקטרון הנכנס סביב מרכז הקרן, בהתאם למיקום האזימוטלי. מאוחר יותר בקרן, האלקטרונים המואצים או ההאטה בסופו של דבר הדביקו זה את זה, ופונקציית הגל עברה טרנספורמציה לסליל כיראלי של מסה ומטען. "לאחר מכן השתמשנו במיקרוסקופ אלקטרונים אטושני כדי להשיג מדידה טומוגרפית מפורטת של ערך הצפי של האלקטרון, כלומר, ההסתברות להיות איפשהו במרחב ובזמן", אומר באום, ומסביר את הדרך שבה הם מדדו את הצורות שנוצרו. בניסוי הופיעו סלילים בודדים או כפולים ימניים או שמאליים. לא היה צורך בספין, בתנע זוויתי או במסלולים ספירליים כדי לייצר את הכיריאליות הגיאומטרית הטהורה הזו.
כדי לחקור האם אינטראקציה של סלילי אלקטרונים תלת מימדיים עם חומרים כיראליים אחרים תשמר את הכיראליות, החוקרים הכניסו ננו-חלקיקי זהב עם שדות אלקטרומגנטיים כיראליים לתוך מיקרוסקופ האלקטרונים שלהם והשתמשו בסלילי האלקטרונים הכיראליים כדי למדוד את דינמיקת הפיזור. תלוי אם החוקרים ירו אלקטרון שמאלי לעבר אובייקט ננו-פוטוני ימני או להיפך, התוצאות הראו תופעות של הפרעות סיבוביות בונות או הרסניות. במובן מסוים, הכיראליות הכללית מעולם לא נעלמה.
עולם חדש של אפשרויות
היכולת לעצב אלקטרונים לסלילים כיראליים של מסה ומטען פותחת אפיקים חדשים לחקר מדעי ולחדשנות טכנולוגית. לדוגמה, קרני האלקטרונים הכיראליים המהונדסים צריכות להיות שימושיות עבור פינצטה כיראלית אלקטרונית-אופטית, טכנולוגיות חיישנים כיראליות, מיקרוסקופיה אלקטרונית קוונטית או עבור חיטוט ויצירת תנועה סיבובית בחומרים אטומיים או בננו. בנוסף, הם יתרמו לפיזיקת החלקיקים הכללית ואופטיקה קוונטית.
"למרות שעד כה אפננו רק את האלקטרון, אחד מהחלקיקים היסודיים הפשוטים ביותר, השיטה היא כללית וישימה כמעט לכל חלקיק או גל חומר. לאילו חלקיקים יסודיים אחרים יש או יכולים להיות צורות כיראליות כאלה, והאם יש השלכות קוסמולוגיות אפשריות?" אומר באום. הצעד הבא של החוקרים הוא להשתמש באלקטרונים הכיראליים שלהם בהדמיית אלקטרונים אטו-שניה ובמיקרוסקופיה של שני אלקטרונים, על מנת להבהיר עוד יותר את יחסי הגומלין המורכבים בין האור הכיראלי לגלי חומר כיראליים עבור יישומים בטכנולוגיות עתידיות.
פרופ' פיטר באום מוביל את קבוצת המחקר של אור וחומר במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת קונסטנץ. הצוות שלו זכה לאחרונה בפרס הלמהולץ למחקר יסודי על פיתוח טכניקת מיקרוסקופיה חדשנית של אטו-שנייה.
מימון: קרן המחקר הגרמנית (DFG; SFB 1432) וקרן ד"ר KH Eberle
