בורג ארכימדס התקדם במהירות האור

ספינת התענוגות הגדולה ביותר שנבנתה

לפני כאלפיים ושלוש מאות שנים ארכימדס, אחד מהממציאים והמתמטיקאים הגדולים בהיסטוריה, התבקש ע״י המלך היירו השני לתכנן ספינה ענקית, בשם סירקיוז. הספינה נבנתה ויכלה לשאת כ- 600 אנשים. היתה זו ספינת התענוגות הגדולה ביותר שנבנתה בעידן העתיק והיא היוותה הישג הנדסי מפואר. אולם לספינה כה גדולה המים שהיו מחלחלים דרך גופה היוו בעיה משמעותית. לשם כך תכנן ארכימדס משאבה מיוחדת הקרויה עד היום על שמו – בורג ארכימדס. משאבה זו הורכבה מגליל חלול שבתוכו בורג גדול. סיבוב של הבורג אפשר לשאוב מים מקצה אחד של המשאבה אל הקצה השני. גרסאות גדולות יותר של משאבה זו שמשו לשאיבת מים ממאגרים תת קרקעיים. עקרון הפעולה של המשאבה הוא פשוט למדי והוא משותף להתקנים שונים ומוכרים היטב – החל ממאווררים ומדחפים של ספינות ומטוסים וכלה במכונות לממכר ממתקים המשתמשות בבורג מסתובב כדי לדחוף מוצרים לכיוון הלקוח.

ממכונות לממכר חטיפים עד לבורג ארכימדס

כעת, קבוצת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחה לממש ולהדגים פעולה של בורג ארכימדס העשוי כולו מאור. את המחקר הוביל ד״ר אלון באב״ד מבית הספר להנדסת חשמל. הרעיון לבורג האופטי צץ במוחו של ד״ר באב״ד לפני כעשור בעת ששהה כחוקר עמית ב- NIST מתוך התבוננות במכונות האוטומטיות לממכר חטיפים. כמעט עשור נאלץ רעיון זה להמתין במגירה עד שלפני כשנתיים הצטרפו לקבוצת המחקר של אלון שני סטודנטים נלהבים לתואר ראשון – ברק חדד וסהר פרוים. בסיוע יניב אליעזר, דוקטורנט בקבוצה של אלון, ותוך שיתוף פעולה עם קבוצת המחקר של ד״ר יעל רויכמן (יחד עם תלמידי המחקר הראל נגר ותמיר אדמון) מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל-אביב, יצא הפרויקט לדרך.

שלבי הפרוייקט

לפרויקט זה היו שני שלבים. ראשית היה על החוקרים ליצור אלומה שצורתה במרחב דומה לבורג. אלומות לייזר רגילות מתקדמות בקו ישר ולא נעות במסלול מסולסל. כדי ליצור את אלומת הבורג השתמשו החוקרים מאוניברסיטת תל אביב בעיקרון בסיסי של אור – התאבכות וגלים עומדים. כאשר שתי אלומות אור נעות באותו כיוון כללי אך בזוויות מעט שונות, נוצר גל עומד אורכי אשר עוצמתו משתנה באופן מחזורי לאורך כיוון ההתקדמות, ומתקבלים אזורים בהירים ואזורים חשוכים. באזורים הבהירים גל האור מתנדנד במשרעת גדולה ואילו באזורים החשוכים הוא מתנדנד במשרעת מאוד קטנה. באופן דומה, כאשר מחברים שתי אלומות שבהן גלי האור מסתובבים בכיוונים הפוכים סביב מרכז האלומה תוך כדי התקדמות (אלומות אלו מכונות "מערבולות אופטיות") מתקבל גל עומד בכיוון הזוויתי, ופרופיל האלומה המשולבת דומה לפרח. במקרה הזה חלקיקי האור נבדלים אלו מאלו בתנע הזוויתי שלהם. על מנת לממש בורג ארכימדס יצרו החוקרים שתי אלומות אשר נבדלו זו מזו הן בתנע הקווי שלהן (כיוון ההתקדמות) והן בתנע הזוויתי שלהן (סחרור האלומה)  וחיברו אותן יחדיו. פרופיל העוצמה שהתקבל כתוצאה מכך הוא גל עומד הן בכיוון הקווי והן בכיוון הזוויתי – כלומר בורג. שיטה זו אפשרה לחוקרים לשלוט בדיוק רב בצורת הבורג ולבחור אם ליצור אותו מסליל יחיד או יותר. בסופו של דבר הוחלט להשתמש בבורג המורכב משני סלילים (בדומה לד.נ.א).

בשלב השני של הפרויקט נעשה שימוש בבורג האופטי זו כדי ללכוד ולהניע חלקיקים.

המלכודת האופטית

הרעיון שניתן באמצעות אור ללכוד חלקיקים ואז גם להזיז אותם ממקום למקום נולד בשנת 1970 ע״י ארתור אשקין, מדען שעבד במעבדות בל.  זו הייתה תגלית משמעותית ביותר עם השלכות על תחומים נרחבים מאוד בעולם המדע. הרעיון בבסיסה של המלכודת האופטית היא שחלקיקים חלקיקים נמשכים לאזורים בהם עוצמת האור משתנה משמעותית על פני מרחק קטן. עבור חלקיקים קטנים ואלומת אור מאד ממוקדת ניתן ללכוד את החלקיקים בצורה יציבה במרכז האלומה. מצד שני, חלקיקים קטנים המרחפים באוויר ובולעים אור בצורה יעילה, מתחממים ככל שעוצמת האור הפוגעת בהם גדולה יותר. כתוצאה מכך, מולקולות של אויר הפוגעות בחלקיקים אלו נעות במהירות גבוהה יותר וגורמות לחלקיקים להידחות מאזורים מוארים ולהמשך דווקא לאזורים חשוכים. לכן, על מנת ללכוד חלקיקים באוויר משתמשים לרוב באלומות "חושך" – אלומות אור אשר חשוכות במרכזן.

מבעיה לפתרון - מהעבר ומהעתיד

אחת הבעיות הקשות ביותר בתחום הלכידה האופטית של חלקיקים היא משיכה של חלקיקים לעבר מקור האור, תהליך הידוע גם בכינויו גרירה אופטית. הסיבה לקושי היא שמעבר למנגנונים שתוארו כאן חלקיקי האור, הנקראים פוטונים, מעבירים את התנע שלהם לחלקיקים הלכודים ולמעשה דוחפים אותם מכוון ממקור האור והלאה. אפקט זה מקשה מאד על משיכת החלקיקים לכיוון מקור האור. במהלך השנים האחרונות התפתח עניין רב בנושא זה הן בעולם המדע והן בעולם המדע הפופולארי בשל ההקשר לרעיונות שהופיעו בתוכניות טלוויזיה וסרטי מדע בדיוני בה קרני גרירה אופטיות מושכות עצמים גדולים כגון חלליות ואסטרואידים. במהלך השנים האחרונות הוצעו מספר פתרונות יצירתיים לבעיה זו, אולם רובם מוגבלים מבחינה עקרונית בשל תלות תנועת החלקיקים הלכודים במסת החלקיקים, בצורתם ובעוצמת האור של קרן הלוכדת.

שיטת הלכידה החדשה שהוצגה ע״י קבוצת החוקרים מאוניברסיטת תל אביב ופורסמה בעיתון המדעי היוקרתי Optica, מאפשרת לכידה של חלקיקים הנישאים באוויר באזורים חשוכים של הבורג האופטי וכן את הזזתם במהירות שאינה תלויה בפרמטרים של החלקיקים ובעוצמת ההארה. היכולת להניע ולהזיז את החלקיקים תלויה אך ורק במהירות הסיבוב של הבורג האופטי, בדיוק כפי שקורה בבורג ארכימדס המקורי וכפי שקורה במכונות לממכר ממתקים. כמו כן – כיוון סיבוב הבורג קובע את כיוון תנועת החלקיקים, כך שניתן להסיע אותם הרחק ממקור האור או להביאם לעבר מקור האור ולממש קרן גרירה אופטית. באופן זו שולבו יחדיו בפרויקט המחקר שני רעיונות, מהעבר ומ״העתיד״:  האחד עתיק יומין מימי ארכימדס, והשני עתידני מסרטי המדע הבדיוני. 

לכתבה ב ynet

הפקולטה להנדסה

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון