אלקטרון במנוסה

האם אלקטרון החומק אל מחוץ למולקולה יתנהג אחרת אם היא "ימנית" או "שמאלית"?

ימין ושמאל משמשים כאן בהשאלה מסוימת, כדי להבחין בין מולקולות שבכל היבט אחר הן זהות כמעט לגמרי. ההבדל ביניהן הוא בתכונה הנקראת "כיראליות" – תופעה שמתגלה בכל סדרי הגודל בטבע, מחלקיקים אלמנטריים ועד גלקסיות. כיראליות קיימת בין היתר בכפות הידיים שלנו: אם נסובב את יד ימין, לא נוכל לחפוף בינה ובין תמונת הראי שלה – יד שמאל; זאת, בניגוד לאובייקטים בעלי סימטריית שיקוף – כמו למשל צורה של עיגול או לב.

מחקר חדש של פרופ' נירית דודוביץ וחברי קבוצתה במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע בוחן כיצד כיראליות באה לידי ביטוי במפגש בין מולקולה לשדה אור, אשר גורם לאלקטרון לחמוק אל מחוץ למולקולה. המחקר שהתפרסם באחרונה נערך בשיתוף פעולה עם קבוצתו של פרופ' יאן מאיירס מאוניברסיטת בורדו בצרפת.

אבל כיצד בורח אלקטרון מהמולקולה או מהאטום שבהם הוא נמצא? ההסבר לכך מגיע ממכניקת הקוונטים, שמתארת כיצד חלקיקים יכולים לחצות מחסומים באופן שאינו אפשרי לפי חוקי המכניקה הקלאסית. התופעה הזו, המכונה מִנהור, מסבירה בין היתר איך בתנאים מסוימים אלקטרון יכול לצאת אל מחוץ לאטום או למולקולה שאליהם הוא קשור.

דודוביץ מתארת זאת בדימוי ציורי: "אפשר לתאר את האלקטרון שנמצא באטום כאילו הוא מונח בתוך גביע גדול. כאשר קרינה חזקה מספיק פוגעת באטום, היא 'מכופפת' את שוליו של הגביע – והאלקטרון יכול לזלוג החוצה דרך המחסום ובכך לעבור מנהור". כאשר תופעה זו מתרחשת בהשפעה של שדה אור, היא מתפתחת בזמנים אולטרה-קצרים, הנמדדים ביחידות של אטו-שנייה – שהיא המיליארדית של המיליארדית של השנייה (1 בחזקת מינוס 18 של שנייה).

""כאשר מסובבים חבל, נוצר פיתול בחבל שמתקדם לאורכו. באופן דומה, אור כיראלי הוא שדה אלקטרומגנטי המסתובב תוך כדי ההתקדמות"

תהליך המנהור מאטומים נחקר לעומק בעשור האחרון, אך דודוביץ וקבוצת החוקרים מבורדו העלו שאלה שטרם נענתה במחקרים הקיימים: כיצד מושפע תהליך המנהור מהכיראליות של המולקולה? יתר על כן, הם ביקשו לבחון כיצד משפיעה הכיראליות של שדה האור על התהליך.

כדי להסביר מהי כיראליות של שדה אור, דודוביץ נעזרת בדימוי של חבל: "כאשר מסובבים חבל, נוצר פיתול בחבל שמתקדם לאורכו. באופן דומה, אור כיראלי הוא שדה אלקטרומגנטי המסתובב תוך כדי ההתקדמות".

המדענים ביקשו לבחון את הרגע הייחודי שבו אור כיראלי פוגש מולקולה כיראלית, וכיצד המפגש הקצרצר ביניהם משפיע על המנהור של אלקטרון. "קישור כזה בין כיראליות למנהור לא נעשה בעבר", מציינת דודוביץ. לשם כך, הם יצרו אור בעל תכונות כיראליות מיוחדות – שדה שמסתובב בצורת "8". שדה האור הייחודי הזה משלב במהלך אחד סיבוב "ימין" וסיבוב "שמאל", ומשלים זאת בזמן מחזור אור אחד – כלומר במהלך תנודה אחת של גל האור, כמו של החבל שנע למעלה ולמטה.

כך ניתן לבדוק שני מופעים כיראליים של האור, ולזהות מתי האלקטרון מגיב ובאיזו מהירות. הדמיות תלת-ממדיות של האלקטרון ברגע היציאה מהאטום השלימו את התמונה על ההתנהגות של האובייקטים הזעירים. השאלות שנבחנו במחקר הן בין השאר: האם אור בעל כיראליות מסוימת ישפיע באופן שונה על ההתנהגות של אלקטרון שיעבור מנהור ממולקולה בעלת כיראליות דומה או הפוכה? בתוך כמה זמן התופעה תתרחש? כיצד משפיעה הכיראליות של המולקולה על המאפיינים של האלקטרון שיעבור את המנהור?

התוצאות של המחקר איששו את ההשערה: הסיכוי של אלקטרון לעבור מנהור והאופן שבו יעשה זאת – תלויים במידה רבה בסוג הכיראליות של המולקולה ושל האור. תוצאות אלה מעוררות עניין במחקרים עתידיים, שיבדקו אירועים נוספים המתרחשים בזמנים אולטרה-קצרים ויחשפו עוד תופעות קוונטיות במולקולות כיראליות.