קר, מתקרר

מי שרוצה לחקור את תכונותיהם של אטומים, נתקל בקושי. האטומים האלה לא מחכים למדענים: הם זזים, רוטטים ולפעמים (במצב גזי) הם אפילו טסים במהירות עצומה. התנועה המהירה הזאת היא, למעשה, הטמפרטורה של החומר. כדי שיוכלו לחקור את האטומים, המדענים חייבים להאט – ובכך לקרר – אותם. דרך אחת לעשות זאת, היא להשתמש ב"תותחי לייזר" ש"מפגיזים" את האטומים מכל הכיוונים ו"לוכדים" אותם במלכודת ריק חשוכה שקירותיה עשויים גלי אור. או, במקרה של יונים (אטומים בעלי מטען חשמלי), ללכוד אותם באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים – ולקרר באמצעות לייזר.

אבל מדעני הסגל ד"ר עודד הבר וד"ר מיכאל רפפורט והחוקרים הבתר-דוקטוריאליים ד"ר ריטש קומר גנגוור וד"ר קושיק שאה ממעבדתו של פרופ' דניאל זייפמן במחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, גילו ופיתחו באחרונה דרך חדשה ומקורית לקירור יונים ולהאטת תנועתם היחסית.

חברי קבוצת המחקר של פרופ' זייפמן פיתחו בעבר גרסה משופרת של "מלכודת יונים" אלקטרוסטטית לחקר תגובות מולקולריות, וכך יצרו מעין איזור אחסון ליונים, שהוא קטן וזול בהרבה מטבעות האחסון הרגילות. במלכודת האלקטרוסטטית נעים יונים מולקולריים באופן מחזורי בתוך ריק, במהירות של קרוב ל-10,000 קמ"ש – ומקוררים. מערכות אלה אפשרו לחברי הקבוצה ליצור במעבדה סביבה קרה ודלה בחומר, הדומה לתנאים השוררים בחלל הבין-כוכבי.

יתרון השיטה מתבטא בכך שהתהליך אינו תלוי בסוג היון ובמשקלו, כך שאפשר להשתמש בו כדי לקרר במהירות יחסית כל מולקולה, כולל מולקולות ביולוגיות גדולות וננו-חלקיקים"

מטבע הדברים, בקבוצת יונים שנעה במחזוריות, קיימת התפלגות מסוימת של התדירויות (השקולות למהירות, ולטמפרטורה). בשלב זה יכולים המדענים "לדחוף" ולהאיץ את היונים הקרים בדרך של שיגור דחפי מתח, ולהפריד את התפלגות התדירויות (טמפרטורות), דבר שגורם לכך שתוך זמן לא רב, רק היונים הקרים יותר מואצים ומרוכזים יחד. "דחיפות" נוספות מאפשרות למדענים לקבל, בהדרגה, יונים קרים יותר ויותר. "אבל התהליך הזה", אומר ד"ר הבר, "אינו קירור, אלא מעין 'סינון' שמאפשר לנו למיין את היונים על-פי הטמפרטורה שאליה הגיעו".

אבל תוך כדי ניסיונות, גילו המדענים שבמלכודת האלקטרוסטטית אפשר להגדיל את צפיפות היונים בקצה המלכודת עד כדי פי 1,000 מהצפיפות הרגילה. בקבוצה הצפופה מתחוללות, בדרך הטבע, הרבה התנגשויות בין היונים, וכתוצאה מכך היונים עצמם מחלקים את האנרגיה ביניהם. בכיוון מוגדר של המלכודת נוצר בשלב זה מתאם גבוה בין מיקומם של היונים בקבוצה, לבין האנרגיה שלהם, כך שהיונים הקרים ביותר מצויים במרכז הקבוצה – דבר שמשמעותו היא שהטמפרטורה שלהם יורדת על חשבון חימום היונים הממוקמים בקצוות - כך שבסיכום, מספר היונים הקרים גדל. "התהליך המפתיע הזה", אומר ד"ר הבר, "הוא כבר בבחינת קירור".

במאמר שפירסמו המדענים בכתב-העת המדעי "פיסיקל רוויו לטרס" PRL, הם מתארים סדרת ניסויים שבה הגיעו היונים לטמפרטורה של כעשירית מעלה מעל לטמפרטורת האפס המוחלט. במחקרים שמתבצעים בימים אלה מבצעים המדענים כיוונונים עדינים של המערכת במטרה להגיע – באמצעות שיטת הקירור החדשה – לטמפרטורות נמוכות עוד יותר.

ד"ר הבר אומר שיתרון השיטה מתבטא בכך שהתהליך אינו תלוי בסוג היון ובמשקלו, כך שאפשר להשתמש בו כדי לקרר במהירות יחסית כל מולקולה, כולל מולקולות ביולוגיות גדולות וננו-חלקיקים.

לקבלת מידע נוסף, תמונות ולתיאום ראיונות:
משרד הדובר - מכון ויצמן למדע
08-9343856 news@weizmann.ac.il