מדענים הצליחו לספק לראשונה צילום מהיר, מפורט ותלת-ממדי של מסלולי אלקטרונים סביב מולקולה

במחקר שנערך בשיתוף פעולה בינלאומי בהשתתפות קבוצת המחקר של פרופ' נירית דודוביץ' ממכון ויצמן למדע וחוקרים מהמכון הלאומי למחקר מדעי בצרפת, אימפריאל קולג' באנגליה ומכון מקס בורן ואוניברסיטת הומבולדט בגרמניה, הצליחו החוקרים "לצלם" אלקטרונים במולקולה ברמת פירוט חסרת תקדים. ההישג התפרסם בכתב העת המדעי Nature Photonics.

כשמתארים אטום, נהוג לצייר תמונה שמזכירה בצורתה מערכת פשוטה של שמש וכוכבי לכת: גרעין קטן טעון במטען חשמלי חיובי, ואלקטרונים (שמטענם החשמלי שלילי) המקיפים אותו במסלולים עגולים או אליפטיים. בפועל המודל הפלנטרי הזה מפשט יותר מדי את המבנה האמיתי של האטום, והוא הופך בעייתי עוד יותר במולקולות, המורכבות מאטומים רבים.

המבנה המפורט של מסלולי האלקטרונים סביב מולקולות ואטומים קובע רבות מתכונותיהם, למשל את התגובות הכימיות שהם יכולים לבצע. לכן יש עניין רב במדידה מדויקת של המסלולים. הטכניקה הניסויית שבה השתמשו החוקרים מנצלת את האלקטרון עצמו כדי לתעד את המסלול שלו. 

תיעוד בדיוק חסר תקדים. מימין: ברי ברונר, פרופ' נירית דודוביץ' ואיילת ג'ולי אוזן | צילום: מעבדת דודוביץ', מכון ויצמן למדע
תיעוד בדיוק חסר תקדים. מימין: ברי ברונר, פרופ' נירית דודוביץ' ואיילת ג'ולי אוזן | צילום: מעבדת דודוביץ', מכון ויצמן למדע

רובה לייזר

אור הלייזר הוא סוג של הפרעה אלקטרומגנטית, ולכן הוא יכול להפעיל כוח על מטענים חשמליים. אפשר לצורך העניין לדמיין כדור פינג פונג שצף על פני המים, וגל מתקדם לעברו. הכדור יתרומם עם הגל ואז יירד. פעימת לייזר שחולפת על פני אלקטרון פועלת בצורה דומה – היא מטלטלת את החלקיק. אם האלקטרון הזה קשור לאטום או מולקולה, נוצרת משיכה לשני כיוונים, בדומה למשיכת חבל: המולקולה מושכת את האלקטרון לכיוון אחד, כי מטען חיובי מושך מטען שלילי, והשדה שמפעיל הלייזר מושך אותו לכיוון השני.

אור לייזר חזק מספיק יכול לשחרר את האלקטרון מאחיזת הגרעין שסביבו הוא חג וכך האלקטרון נשלף מאחיזת האטום או המולקולה. לאחר מכן, כשכיוון המשיכה של הלייזר מתחלף והחלק הגבוה של הגל מתחלף בחלקו הנמוך, הלייזר יכול לגרום לאלקטרון להתנגש בחזרה באטום. מאחר שהאלקטרון מתקרב לאטום במהירות רבה, אם הוא אכן יצליח לחזור למסלול סביב האטום תישאר לו אנרגיה עודפת, והוא ישחרר אותה בתור אור. מדידת תכונות האור הנפלט יכולה לאפשר לחוקרים לאפיין את צורת המסלול שהאלקטרון חזר אליו. 

במעבדתה של דודוביץ' משתמשים בלייזרים בעלי הבזקים קצרים במיוחד, מיליארדית של מיליארדית השנייה, מה שמאפשר להם לשלוף את האלקטרון ממסלולו ביעילות ולהשתמש בו עצמו כדי לצלם את המקום שהוא בא ממנו, במעין סלפי אלקטרוני מתוחכם. על ידי בדיקת הכיוונים שאליהם האור התפזר, ותכונות נוספות שלו, אפשר להבין מה היתה צורת האובייקט המצולם. 

מידע חדש ומפתיע על התהליך שבו האלקטרון עוזב את המולקולה. איילת ג'ולי אוזן | צילום: מעבדת דודוביץ', מכון ויצמן למדע
מידע חדש ומפתיע על התהליך שבו האלקטרון עוזב את המולקולה. איילת ג'ולי אוזן | צילום: מעבדת דודוביץ', מכון ויצמן למדע

עוברים לתלת-ממד

בשיטה הזאת האלקטרונים מאיצים ומתנגשים במולקולה מכיוון אחד בלבד, שאפשר לקרוא לו מלמעלה או מלמטה – כלומר בכיוון התנועה של השדה האלקטרומגנטי של הפעימה – אבל לא מימין ומשמאל. כדי לקבל תמונה מזוויות נוספות צריך להפעיל על האלקטרון כוחות בכיוון אחר.

החוקרים השתמשו בתכונה של האור שנקראת קיטוב – הכיוון שבו השדה האלקטרומגנטי של האור מתנודד. למשל משקפי שמש מקטבים (משקפי פולרואיד) מאפשרים רק לאור שמתנודד בכיוון אחד לעבור דרכם, ובולמים אור שמתנודד בכיוונים אחרים. לכן המשקפיים מקטינים באופן משמעותי את עוצמת האור המגיע מהשמש, שמתנודד בכל הכיוונים. כיוון הקיטוב של האור הוא הכיוון שבו הוא מפעיל כוח על האלקטרונים. לכן, אם החוקרים משתמשים בלייזר נוסף המקוטב ב-90 מעלות יחסית ללייזר הראשון, הם יכולים לגרום לאלקטרון לנוע גם ימינה ושמאלה. כך מתקבל מידע מפורט מכל הכיוונים. 

לדברי הדוקטורנטית איילת ג'ולי אוזן, שמובילה את רשימת כותבי המאמר עם ד"ר הדס סופר, במהלך הניסויים המורכבים צצו הפתעות רבות. "גילינו שנוסף על המידע שאספנו על צורת המסלול, אנחנו גם לומדים הרבה על תהליך המִנְהוּר – התהליך שבו האלקטרון עוזב את המולקולה. זאת הייתה הפתעה גדולה, שתאפשר עושר מחקרי רב בהמשך הדרך". 

הטכניקה שהוצגה בניסוי הזה הודגמה על מולקולה פשוטה במיוחד – פחמן דו-חמצני (CO2). עם זאת, בעתיד אפשר יהיה להשתמש בה על מגוון רחב של מולקולות במצב צבירה גזי. ההשפעה של צורות שונות של מסלולים אלקטרוניים על תהליך המנהור מעוררת עניין רב במיוחד ואין כמעט טכניקות אחרות שמאפשרות לחקור אותו.