רואים שקוף

בקיצור
 
השאלה: האם אפשר להשתמש בתופעות אור לא-ליניאריות כדי ללמוד על תכונות של חומרים?
 
הממצאים: מדעני המכון פיתחו שיטה אשר מאפשרת, באמצעות עיצוב הבזקי אור קצרים מאוד, ללמוד על יחסי הגומלין בין האטומים במולקולה, מה לשיטות המבוססות על תהודה מגנטית.

נקודת המבט של כל אחד מאיתנו היא אמנם אישית, אבל המנגנון שבו אנחנו נעזרים כדי לראות הוא, בבסיסו, די דומה – האור נכנס, פוגע בחומר, חוזר ממנו – ומתפזר לכיוון מי שמתבונן בו. מדובר, כביכול, בתופעה שקַל להבין, אבל ישנן תופעות אופטיות נוספות – לא-ליניאריות – שהן אולי זניחות בחיי היום-יום, אבל אפשר להשתמש בהן כדי ללמוד על תכונות של חומרים. מדעני מכון ויצמן למדע פיתחו שיטה חדשה, המתבססת על אמצעים אופטיים לא-ליניאריים, כדי ללמוד על המבנה של מולקולות שונות, ועל יחסי הגומלין המתקיימים ביניהן.
 
שיטת הספקטרוסקופיה שפיתחו המדענים היא דו-ממדית; כלומר, בשיטה זו נמדדת תגובת המולקולה להארה בשני אורכי גל שונים. "ספקטרוסקופיה דו-ממדית מאפשרת ללמוד על הדינמיקה המתרחשת בין האטומים שבמולקולה, בדומה לשיטות המבוססות על תהודה מגנטית", אומרת הדס פרוסטיג, תלמידת מחקר לתואר שלישי בקבוצתו של פרופ' ירון זילברברג. באמצעות שיטה זו אפשר לעקוב אחר שינויים מהירים במבנה המולקולות ובאינטראקציה שלהם עם סביבתם. "המבנה של המולקולה קובע לעיתים קרובות את התנהגותה בתגובות עם מולקולות אחרות", אומרת פרוסטיג. "לדוגמה, הצורה שבה חלבון מקופל קובעת את תיפקודו בתהליכים המתרחשים בגוף האדם".

 
שיטת הספקטרוסקופיה שפיתחו המדענים היא דו-ממדית;
כלומר, בשיטה זו נמדדת תגובת המולקולה 
להארה בשני אורכי גל שונים

 
זה אינו הניסיון הראשון לפתח שיטת ספקטרוסקופיה המבוססת על תופעה לא-ליניארית, וכמו בניסיונות קודמים, גם הפעם מתבססים המדענים על תופעת ראמאן. תופעה זו גורמת לשינוי אורך הגל של האור בעת פיזורו מהחומר, וההפרש בין אורך הגל הנכנס לאורך הגל המתפזר מאפשר לזהות את החומר וללמוד על מבנה המולקולות בו. הפיתוחים הראשונים אמנם החלו כבר בשנות ה-90 של המאה הקודמת, אבל מעֵבֶר לשימוש המסורבל בכמות גדולה של קרני לייזר – אשר יוצר שלל בעיות של ייצוב ומיקוד הקרניים – עלה קושי שנראה, באותה תקופה, כבלתי-פתיר: ספקטרוסקופיה מהסוג הזה יוצרת, למעשה, שני אותות: אות מועיל, לו זקוקים המדענים כדי לחלץ מידע, ואות נוסף – טפיל – שאינו נותן שום מידע, אך צורתו זהה לזו של האות המועיל, ופעמים רבות הוא אפילו יהיה דומיננטי יותר. באותה תקופה נעשו ניסיונות להחליש את האות הטפיל, אך בסופו של דבר נזנחה השיטה.
 
קבוצת המחקר – שכללה את פרופ' ירון זילברברג, פרוסטיג, וכן את פרופ' נירית דודוביץ, החוקר הבתר-דוקטוריאלי (לשעבר) ד"ר טים באייר, ופרופ' יונינה אלדר מהטכניון – הראתה שבאמצעות עיצוב הצורה הזמנית של הבזקי אור קצרים – כל כך קצרים, עד שהיחס בין אורכם לבין דקה זהה ליחס בין דקה לבין גיל היקום – הם מסוגלים ליצור שיטה ספקטרוסקופית דו-ממדית באמצעות קרן לייזר אחת בלבד. כך מנעו המדענים את העיסוק המסורבל בהתאמת קרני הלייזר אחת לשנייה. מעבר לכך, השימוש בשיטה זו מאפשר להבדיל בין האות המועיל לאות הטפיל. "היות שאנחנו מגלים ערבוב של אור שהתפזר מהדוגמה ואור שלא התפזר ממנה, הרי שבמקום לסנן ולהשתמש רק בחלק שהתפזר מהדוגמא, אנחנו מרוויחים", אומרת פרוסטיג: "האור שלא התפזר מהדוגמה מנקה את האות הטפיל, ומגביר את האות היעיל". למעשה, השילוב בין ההגברה לבין שינוי אורך הגל, שהוא ייחודי לפיזור פער התדרים של ראמאן, הוא המפתח להצלחת השיטה.
 
בעתיד מקווים המדענים ששיטה זו, שנמצאת בשלבים הראשונים של פיתוחה, תוכל לשפוך אור על התהליכים הדינמיים של מולקולות גדולות, וללמד פרטים חדשים על מנגנונים ביולוגים אשר נסמכים על שינוי מבני במולקולות אלו.