דברים שרואים בקטן

לכל דבר יש גבול. למשל, ארנסט אבֶּה גילה, בשנת 1873, שיש גבול לרזולוציה, כושר ההפרדה בין עצמים שבהם אפשר לצפות באמצעות מיקרוסקופ אור – גם אם נלטש את עדשות המיקרוסקופ באופן מיטבי. הפיסיקאי, שלימים היה שותפו של קארל צייס, ואף היה הבעלים והמנהל של מפעל העדשות הידוע הנושא את שמו של צייס (ZEISS), יישם את משוואות מקסוול על מיקרוסקופ האור, וכך גילה את הגבול ואת הסיבה לכך שאיננו יכולים לעבור אותו.

"הגבול של אבה" נקבע, למעשה, כתוצאה ממגבלת הטווח של אורך גלי האור שקולטת עין האדם: 390–750 ננומטר. אבה הראה והסביר מדוע העצם הקטן ביותר, שבו אפשר לצפות באמצעות מיקרוסקופ האור המשוכלל ביותר שנוכל לבנות, הוא בגודל מחצית אורך הגל של האור הנראה: 200 ננומטר.

60 שנה חלפו עד שארנסט רוסקה, והמנחה שלו, מקס נול, פיתחו – בשנת 1933 – את מיקרוסקופ האלקטרונים הראשון, שהשתמש בקרן אלקטרונים במקום באור הנראה. מכיוון שאורך גל האלקטרון קטן משמעותית מאורך הגל הקטן ביותר של האור הנראה, אפשר לצפות באמצעותו בעצמים קטנים פי 2,000 מאלה שאפשר לראות במיקרוסקופ אור – אבל לשם כך יש לקבע את הדוגמה הנצפית, דבר שלא מאפשר לצפות במערכות חיות.

עוד כמעט 70 שנה חלפו, עד שבשנת 1999 הציג שטפן הל מיקרוסקופ אור מסוג חדש, שהוא כינה בשם STED (ראשי תיבות של Stimulated Emission Depletion), המאפשר לשבור את גבול הרזולוציה של אבה. מיקרוסקופ זה מבוסס על קרן לייזר אחת שמעוררת אלקטרון במולקולה של החומר הנצפה. לרוב, אנרגיית העירור משוחררת בדרך של פליטת פוטון – חלקיק אור - בתהליך הקרוי פלואורוסנציה. אבל, במיקרוסקופ החדשני של הל משגרים לעבר הדוגמה קרן לייזר נוספת, המכבה את הפלואורוסנציה ומגבילה אותה לשטח קטן מאוד בדגם. באמצעות  סריקת הקרניים האלו על-פני הדוגמה הנבחנת, אפשר לצפות בעצמים בגודל של ננומטרים בודדים, גם כשמדובר בחלבונים שנמצאים ופועלים בתוך מערכת ביולוגית. כמה שנים מאוחר יותר, הציג אריק בטציג שיטה אלטרנטיבית לרזולוציה שעוברת את הגבול שהציג אבה, PALM (ראשי תיבות של Photoactivated light microscopy). שיטה זו מבוססת על מולקולות פולטות אור שאפשר לשפעל באמצעות אור. פיתוח שיטות אלה, שכל אחת מהן מבוססת על שבירה של אחת מהנחות היסוד במודל של אבה, זיכה את שטפן הל ואריק בטציג, יחד עם ויליאם מרנר, בפרס נובל בכימיה לשנת 2014.

אבל, כידוע, מדענים תמיד שואפים לראות באופן יותר מפורט, עצמים יותר קטנים, יותר מרוחקים, או תהליכים יותר מהירים. פרופ' ירון זילברברג ופרופ' דן אורון ושותפיהם למחקר מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע ניסו למצוא דרך לעבור את הגבול של אבה תוך שימוש בתכונות הקוונטיות של האור (אבה הניח, כמובן, במודל שלו, פיסיקה קלאסית, שהרי תורת הקוונטים פותחה רק כמה עשרות שנים לאחר מכן). מדעני המכון השתמשו בתכונה הקוונטית המאפיינת סמנים פולטי אור, שלפיה כל מולקולה או חלקיק ננומטרי שמעוררים, למשל באמצעות קרן לייזר, יכולים לפלוט פוטון אחד ויחיד (כלומר אינם יכולים לפלוט שני פוטונים או יותר בעת ובעונה אחת). לשם כך ביקשו המדענים "לצלם" את פליטת הפוטון, אלא שמדובר בתהליך מהיר מאוד, וגם מצלמה שמצלמת 1,500 צילומים בשנייה לא מסוגלת להבחין בו.

מכיוון שכך, הם החליפו את המצלמה במערך של גלאים מהירים הרגישים לפליטה של פוטון בודד והתקינו אותו במיקרוסקופ אופטי סורק (המבוסס על המיקרוסקופ הקונפוקלי שהמציא מרוין מינסקי ב-1957). לפי חישובים, שילוב המערכות האלה עשוי לאפשר למדענים לחצות את הגבול של אבה ולראות עצמים עד פי ארבעה קטנים יותר מאלה שאפשר לראות במיקרוסקופ אור רגיל. בניסוי שביצעו – במערכת משולבת כזאת - הצליחו מדעני המכון לחצות את הגבול של אבה ולצפות בפועל בעצמים קטנים פי שניים וחצי מהגודל שמגדיר הגבול הזה. כיוונון וניסיון עשויים לאפשר להם לממש את תוצאות החישוב – ולצפות בעצמים קטנים פי ארבעה.