פרס וולף בפיזיקה לשנת 2022 יוענק בעוד כמה חודשים לשלושה חוקרים, שעבודותיהם היו אבני דרך משמעותיות בתחום החדשני המכונה "פיזיקה של אטו-שניות" (Attosecond Physics), שהתופעה המרכזית בו היא יצירת הרמוניות גבוהות (High Harmonic Generation או בקיצור HHG).
מעט לאחר פיתוח הלייזר הראשון על ידי תאודור מיימן אי-שם ב-1960, גילה הפיזיקאי האמריקני פיטר פרנקן תופעה הנקראת יצירת הרמוניה שנייה. במסגרת תופעה זו, כאשר פוטון פוגש חומרים מסוימים, המכונים חומרים לא ליניאריים, הוא מסוגל לעורר בחומר יצירה של פוטון (שדה אלקטרומגנטי) שתדירותו כפולה.
3 צפייה בגלריה
לייזרים סופר-מהירים שמאפשרים לראות את הנעשה בתוך האטומים. מימין: פֶרֶנְץ קראוס, פול קורקום ואן ל'הולייר. זוכי פרס וולף בפיזיקה
(צילומים: Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Bengt Oberger, Wikipedia, Ottawa University)
בחומרים אלה ניתן לתאר את התגובה של החומר לשדה החיצוני כטור חזקות של השדה עצמו, ומפיתוח זה עולה כי ניתן עקרונית לקבל גם הרמוניות מסדרים גבוהים יותר. אולם, העוצמה של השדות ההרמוניים הנפלטים הולכת וקטנה ככל שכפולת התדירות שלהם גדלה. פיתוחים מתקדמים יותר בפיזיקת לייזרים אפשרו למדוד הרמוניות מסדרים גבוהים יותר בחומרים מוצקים החל מסוף שנות ה-70. במהלך שנות ה-80 הומצאו לייזרים משופרים בתחום האינפרה-אדום, וניסיונות שנעשו בשנים 1987 ו-1988, בין היתר על ידי הפיזיקאית הצרפתייה אן ל'הולייר שזכתה כעת בפרס וולף, הצליחו להביא לקבלתו של ספקטרום הרמוניות גבוהות בגז באמצעות לייזר של 1064 ננומטר. ההרמוניות היו בעל עוצמה גבוהה, זאת בניגוד למצופה מהפיתוח ההפרעתי של האופטיקה הלא ליניארית. אגב, כיום, מרבית הניסויים בתחום מתבצעים באמצעות לייזר הטיטניום-ספיר, שאורך הגל המרכזי שלו הוא 800 ננומטר.
השילוב של עוצמה גבוהה (שדות לייזר בעלי עוצמות של 10 בחזקת 14 עד 10 בחזקת 15 וואט לסמ"ר, כלומר פי מיליארדי מיליארדים יותר ממצביע לייזר שקונים באינטרנט!) ושל תדירות נמוכה (תחום האינפרה-אדום בגבול הנראה) אפשרו את קיומו של הספקטרום. את הסיבה הפיזיקלית לכך פרש פיזיקאי הפלזמה הקנדי פול קורקם בשנת 1993 במאמרו המכונן שצוטט מאז למעלה מ-4400 פעמים (!). קורקם טען לקיומו של מודל בן שלושה שלבים, אשר מסביר את מרבית התכונות של יצירת הרמוניות גבוהות. בשלב הראשון, שלב היינון, האלקטרון הקשור בכוח חשמלי לגרעין האטום, פוגש את שדה הלייזר החזק והאיטי (כלומר, המאופיין על ידי תדירות נמוכה) המתנדנד הלוך ושוב, ואז הוא נחלק לסופרפוזיציה של שתי "חתיכות". חתיכה אחת נותרת קשורה לגרעין, והחתיכה השנייה נעקרת (מתייננת) בתהליך קוונטי הנקרא מנהור, ועוברת לחלל החופשי. החלוקה של האלקטרון לשתי חתיכות מתאפשרת בזכות אופיו הקוונטי גם כן – כל אחת מהחתיכות היא למעשה ענן הסתברות.
בשלב השני, שלב ההתקדמות (פרופגציה), את התנועה של האלקטרון בחלל החופשי ניתן לתאר באמצעות החוק השני של ניוטון. הכוח היחיד שמופעל עליו הוא מצד שדה הלייזר החיצוני, והוא רוכש מהירות. מכיוון שעוצמת השדה הרגעית משתנה כתלות בזמן, חתיכות אלקטרוניות שונות שבורחות לחלל החופשי בזמנים שונים מסוגלות לרכוש מהירויות שונות. בפרט, מאחר שכיוון השדה של הלייזר מתהפך בכל חצי מחזור (כאשר השדה הוא בעל קיטוב ליניארי), הן יואצו חזרה ועשויות לפגוש בדרך את היון, ולהתנגש בו ממש כמו שכדור ביליארד גולש לתוך חור בשולחן.
אם כן, בשלב השלישי, הוא שלב הרקומבינציה, מושרה כוח רגעי, שהרי מתרחשת התנגשות. מאחר שהאלקטרון טעון ומאיץ באופן המשתנה בזמן (בגלל קיומו של הכוח), נפלט במהלך ההתנגשות הזו פולס קרינה שאורכו הזמני הוא מסדר גודל של 10 בחזקת (18-) שניות, כלומר מיליארדית של מיליארדית השנייה, הידועה בתור אטו שנייה. תדירותה של הקרינה היא בתחום הרנטגן הקיצוני (XUV) ומכיוון שישנו אוסף של מהירויות התנגשות אפשריות, אזי ישנו גם אוסף של תדירויות שנפלטות. זהו למעשה ספקטרום ההרמוניות הגבוהות. המדידה הראשונה של פולס שכזה בוצעה על ידי הפיזיקאי האוסטרי-הונגרי פרנץ קראוס, הזוכה השלישי בפרס וולף השנה.
בשביל מה כל זה טוב? יצירת הרמוניות גבוהות היא כיום אחת מהדרכים האמינות והמדויקות ביותר לבחינה של תהליכים דינמיים באטומים ובמולקולות בודדים וגם במצב מוצק, בנוזלים, בפלזמה ובננו-חלקיקים. מכיוון שתנועת אלקטרונים מאופיינת על ידי קבועי זמן קצרים ביותר, של אטו-שניות, נובע כי כדי למדוד אותה בדיוק גבוה נדרש שימוש בתהליך פיזיקלי שאף הוא קצר ביותר. מתברר שעל ידי התבוננות בספקטרום ההרמוניות הגבוהות ניתן ללמוד המון על תהליכים דינמיים בזמן אמת ולבצע הדמיה של המבנה האטומי והמולקולרי, מה שהופך את מדע האטו-שניות לתחום חם ביותר בפיזיקה אטומית ובפיזיקה כימית.
ההכרה שניתנה לשלושת החוקרים מסמנת בחזית העשייה המדעית את תחום האטו-שניות ואת קהילת הפיזיקאים והכימאים העוסקת בו, ואכן ניתן לראות כיום תנופה משמעותית של הקמת מעבדות וקבוצות מחקר העושות שימוש בטכניקות מתחום זה לצורך מדע בסיסי. ברמה התאורטית, ההתאמה היפה בין מכניקה קלאסית לקוונטית הופכת את התחום למרתק ואינטואיטיבי בהיבטים רבים שלו, וכמו כן חלק גדול מאוד מהמאמרים בתחום מגובה בסימולציות ממחושבות בעלות יכולת ניבוי מדויקת. בישראל יש לנו קהילת אטו-פיזיקאים מרשימה, שמתרגשת עד מאוד מההכרה ושמחה על הגעתם הקרבה של גדולי התחום לארץ.
יהונתן ברקהיים הוא דוקטורנט בקבוצת המחקר של פרופ' דיויד טנור מהמחלקה לפיזיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע
