חדשות

NEWS

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
מחקר
מאסטר-טראק
אקדמיה ותעשייה
בוגרים ובוגרות
הנדסת חשמל
הנדסת סביבה
הנדסת מערכות
הנדסת תעשייה
הנדסה מכנית
הנדסה ביו-רפואית
הנדסה ורוח
מדע והנדסה של חומרים
מדעים דיגיטליים להיי-טק
מכון שלמה שמלצר לתחבורה חכמה
הוידאו "סט-אפ" מציג את מערכת ההתחמקות מהמכ"ם יחד עם מסכת הפאזה.

מחקר

07.10.2021
המסכה הפיזיקלית שגורמת לעצמים להיעלם

פיתוח חדש של חוקרים מהפקולטה להנדסה נעזר בחוקי הפיזיקה הבסיסיים כדי לגרום לעצמים שונים "להיעלם" ולחמוק מתחת לעינו הפתוחה של המכ"ם. 

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

פיתוח חדש, הנערך בהובלת פרופ' פבל גינזבורג והדוקטורנטים ויטלי קוזלוב ודמיטרו וובצ'וק, מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב ופורסם בעיתון המדעי Scientific Reports - הצליח לגרום לעצמים שונים "להיעלם" ולחמוק מתחת לעינו הפתוחה של המכ"ם. החוקרים למעשה מלבישים על העצם מעין "תחפושת" המתאפיינת בתכונות המשתנות בזמן שמקשות על המכ"ם בזיהויו. החוקרים סבורים כי הטכנולוגיה עשויה לשנות את האופן שבו קהיליית המודיעין והביטחון יפעלו כנגד מכ"מים.

 

החוקרים מסבירים כי מאז המצאת המכ"ם לפני כמאה שנים, אחד האתגרים המשמעותיים של הקהילה המדעית והביטחונית ברחבי העולם היה לפתח טכנולוגיה שתאפשר לחמוק ממנו. טכנולוגיות כאלה אכן הוצעו ויושמו, ובראשן המטוס החמקן.

 

ברבות השנים, נכנסו לשימוש מספר אסטרטגיות פעולה שמטרתן הונאת המכ"ם. אחת הדרכים הנפוצות ביותר לכך היא פיזור מוץ: מוץ הוא כינוי כללי לענן של סיבים או רצועות מתכתיות שנהוג לפזר סביב המטרה הפוטנציאלית (מטוס, ספינה או כל עצם צבאי אחר). מאחר שמכ"ם מבוסס על החזרים של גלים אלקטרומגנטיים, המוץ יוצר מיסוך המתבטא ככתם לא ברור על צג המכ"ם, וכך אובדת היכולת לאתר במדויק את מיקום המטרה.

 

אסטרטגיה נוספת היא הקטנת החתימה של המטרה באמצעות טכנולוגיית חמקנות. בבסיס טכנולוגיה זו נמצאת ארכיטקטורה דקדקנית של הגאומטריה והחומר המרכיבים את החמקן, כפי שלמשל קורה במטוס ה"אדיר" המצוי בשירות חיל האוויר הישראלי.

 

כעת החוקרים בהובלת פרופ' גינזבורג מציעים אסטרטגיית הונאת מכ"ם חדשה לחלוטין, המבוססת על העיקרון הפיזיקלי של ניצול אפקט דופלר. אפקט דופלר מתרחש כאשר עצם (כגון רכב, מטוס או אוניה)  נע ביחס למכ"ם. הוא מתבטא בכך שתדירות הגלים האלקטרומגנטיים המתפזרים מהמטרה בחזרה למכ"ם, מוסטת ביחס לתדירות ששודרה, וזאת באופן שקשור באופן הדוק למהירות המטרה.

בסיס הפיתוח החדש נסמך על כיסוי המטרה בחומר מיוחד עם תכונות משתנות בזמן, המאפשרות להערים על המכ"ם ולגרום לו למדוד מהירות אפסית מהמטרה, ובכך להניח שמדובר ברקע סטטי שאין להתייחס אליו.

 

פרופ' גינזבורג: "מאחר שעצמים צבאיים, כגון מטוסים, נעים במהירות גבוהה, הפיזור של הגלים האלקטרומגנטיים מפני השטח שלהם מושפע רבות מאפקט דופלר, והדבר בא לידי ביטוי במהלך זיהויים במכ"ם. הזיהוי נעשה באמצעות סינון והפרדה של מטרות מהירות אל מול רקע איטי וסטטי– כך מפרידים בין מטוס מהיר ומרוחק לבין ציפור קרובה, הר או ענן גשם. מה שאנחנו מציעים כאן,  הוא לא להפחית את הפיזור כפי שחלק מהטכנולוגיות הקיימות עושות, אלא להלביש עליו מסכת פאזה דינמית שתאפשר לו להערים על יחידת העיבוד של המכ"ם".

הדמיה של אופן הפעולה של המערכת כאשר היא מוצבת על עצם צבאי

הדמיה של אופן הפעולה של המערכת כאשר היא מוצבת על עצם צבאי

"אנחנו בעצם שולטים בפאזה הזמנית של הגל האלקטרומגנטי המוחזר מפני העצם, ובכך מנצלים חולשה של מערכת עיבוד האותות במכ"ם", מוסיף הדוקטורנט ויטלי קוזלוב. "מסכת הפאזה יכולה להיות מוצבת על אזור מסוים במטרה עצמה, ובכך לחסוך משאבים רבים שכן אין צורך לכסות את כולה. בפועל המכ"ם יראה עצם סטטי שקשה להפרידו מסביבתו. יתרון נוסף הוא הוורסטיליות של המערכת שאנחנו מציעים, מאחר שניתן להתאימה למטרות בעלות גדלים וסוגים שונים. יישום השיטה החדשה מאפשר להעלים מהמכ"ם על ידי הבנת החולשות שלו והפיכתן לחוזקות".

 

קישור למאמר

קישור לכתבה ב YNET

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מהירות האור

מחקר

03.10.2021
חוקרים מהפקולטה להנדסה הדגימו שיטה חדשה ליצירת אור המגיע ליעדו יותר מהר או יותר

עבודתו של פרופ' אלון באב"ד יחד עם הדוקטורנטים לירן הראלי ותומאס זכריאס התפרסמה בעיתון היוקרתי Lasser and Photonics Reviews, מביאה לעולם האופטיקה שיטה גמישה ובלתי תלויה כלל בתווך שבין מקור האור לגלאי, אלא בתהליך המדידה וניתנת ליישום במערכות שונות ומגוונות

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

כאשר שולחים פולס של אור נהוג להניח שהוא נע במהירות האור שגודלה בקירוב 300 אלף ק״מ בשנייה. אולם תמונה זו אינה מדויקת. הדבר נכון בחלל החופשי, בואקום, אולם ישנן דרכים בהן מהירות האור יכולה להיות שונה, לפעמים במעט, לפעמים בהרבה ממהירות זו, אשר מקובל לסמנה באות c .

 

יצירת אור חדש

כאשר אור מתקדם למשל בחומר שקוף, כמו האטמוספירה שלנו, חלק מהפוטונים, הם החלקיקים מהם מורכב האור, נבלעים בחומר ופוטונים חדשים נפלטים ממנו. אותם פוטונים מצטרפים לפוטונים שלא נבלעו והם יוצרים אור חדש ששונה במעט מהאור לפני שהגיב עם החומר. אותו שינוי מתבטא בכך שמהירות האור הפכה למעט יותר קטנה, בשבריר של אחוז מזה שנמצא בואקום. בהתקדמות בחומר שקוף נוזל או מוצק, האינטראקציה עם החומר משמעותית יותר מאחר שצפיפות האטומים גדולה, והאטה במהירות האור יכולה להיות משמעותית.

לֹמשל במים האור מתקדם במהירות נמוכה בכ-25 אחוז מאשר בואקום, ובגבישים שקופים מהירות האור יכולה להיות חצי ממהירות האור בואקום. כל אלה הם עדיין מהירויות גבוהות מאוד, הנחשבות לטבעיות, במובן שהן נפוצות בטבע.

 

אור איטי, אור מהיר

כיום יודעים לייצר במעבדות אור שנע במהירויות מאוד איטיות – פי עשרות אלפים ממהירות האור בואקום. הדבר מתאפשר בעזרת מערכות תהודה – מערכות בהן אור בתדר מאוד מסוים מגיב בצורה מאוד חזקה עם החומר. ניתן לייצר מערכות תהודה בעזרת מהודים -  מבנים גאומטריים בהם אור יכול לנוע הלוך ושוב באותו מסלול במשך זמן רב. דרך נוספת לייצור מערכות תהודה לאור מערבת שליטה חיצונית במצב של האלקטרונים באטומים שבחומר. שליטה מתאימה משנה את הדרך בה החומר מגיב לפוטונים של האור ויכולה בכך לשנות את מהירות האור.

 

הדבר המפתיע במערכות תהודה לאור שהן יכולות גם לשמש כדי לייצר אור שנע במהירות גבוהה ממהירות האור בואקום. לכאורה נראה שיש כאן סתירה לחוק בסיסי בטבע – שום דבר אינו יכול לנוע יותר מהר מהמהירות c, מהירות האור בואקום, אפילו לא אור. כיצד מיישבים סתירה זו? התשובה טמונה בדרך בה מודדים את מהירות הפולס, או – מה מודדים בדיוק. כאשר מודדים פולס של אור במיקום מסוים ועוקבים אחר עוצמת האור כפונקציה של הזמן, הגילוי מתחיל כאשר עוצמת האור עולה מעל לסף הרגישות של מכשיר המדידה ואז עוצמתו עולה בהדרגתיות עד לשיא ושוב יורדת. אם מודדים את פולס האור בשני מיקומים שהפולס נע ביניהם ניתן למדוד דברים שונים. אם מודדים את הרגע בו מכשירי המדידה מצליחים לזהות לראשונה כי קיים אור (רגע זה מגדיר את חזית הגל של הפולס) אזי ניתן לוודא כי חזית הגל  לעולם אינה נעה מהר יותר מ c. אך אם מודדים את השיא של הפולס, לעיתים שיא זה ינוע יותר מהר ממהירות האור בואקום. דבר זה מתרחש כאשר מצליחים לממש מערכת של אור מהיר ופרשנות סבירה לתהליך שקורה היא כזו: במהלך ההתקדמות במערכת פולס האור משנה את צורתו כך ששיא הפולס נע מהר יותר מ c, אך עדיין חזית הגל לעולם לא תנוע יותר מהר מ c. ניתן גם להוכיח כי בכל המקרים של אור מהיר בלתי אפשרי להעביר אינפורמציה ממקום למקום במהירות גבוהה מ-c.

 

שימושים שונים לאור איטי ואור מהיר

אור איטי ואור מהיר זכו להתעניינות רבה במהלך השנים משום הפוטנציאל שיש להם לשימושים שונים כגון תקשורת אופטית, מחשוב אופטי וחישה אופטית. כעת, במעבדה של פרופ' באב"ד בפקולטה להנדסה הדגימו שיטה חדשה, שונה מאוד לקבלת אור איטי ומהיר.

 

כאמור, העבודה נעשתה במעבדתו של פרופ׳ אלון באב״ד בפקולטה להנדסה ע״י הדוקטורנטים לירן הראלי ותומאס זכריאס והתפרסמה לאחרונה בכתב העת המדעי Lasers and Photonics Reviews. ייחודה של השיטה שהוצגה שהיא אינה מערבת מערכת תהודה כלל וכלל והיא מתבססת על יצירת אור איטי או אור מהיר באמצעות תהליך המדידה עצמו.

 

כדי להבין את השיטה החדשה יש להבין כי מבחינה מתמטית כל פולס של אור מורכב מסכום אינסופי של גלים בעלי אמפליטודה (גובה מקסימלי של הגל) קבועה שמתנדנדים בקצב (תדר) מסוים מאוד, כאשר כל גל כזה קיים בכל זמן, כלומר מאז ומעולם ולנצח נצחים.

 

במציאות גלים אלה אינם קיימים לנצח, אלא לאורך זמן מוגבל אך ארוך בהרבה מהזמן בו אנו מסוגלים למדוד את הפולס. אנו אומרים כי אוסף כל הגלים בתדרים השונים מתאבכים (מתחברים יחדיו) כדי ליצור את פולס האור. תכונה חשובה של פולסים היא כי אם מעלימים חלק מהגלים שמרכיבים את הפולס, הפולס החדש שנוצר יהיה ארוך יותר מהפולס המקורי. ככל שמסננים יותר גלים בעלי תדרים שונים, כך הפולס החדש יהיה ארוך יותר.

 

הניסוי

הניסוי שבוצע במעבדתו של פרופ׳ באב״ד התנהל באופן הבא: מערכת הניסוי ייצרה סידרה של פולסים אשר נשלחה לעבר גלאי. הפולסים הללו היו קצרים מספיק ומרוחקים מספיק האחד מהשני כך שניתן להתייחס אליהם כאל פולסים נפרדים היוצאים ומגיעים ליעדם האחד אחרי השני. זה המצב אם שום דבר מיוחד לא נעשה עם מערכת המדידה. אולם מה קורה אם למערכת המדידה מוסיפים אלמנט שבולע (משמיד) חלק מהגלים המרכיבים כל אחד מהפולסים הללו? אזי כל אחד מהפולסים מתרחב בזמן עד שהפולסים שהיו נפרדים כעת עולים האחד על השני ונוצר פולס חדש שהוא הסכום של כולם. זו שוב תופעת התאבכות. הייחוד בניסוי שנעשה הוא שאלמנט בולע כזה הוסף למערכת המדידה, ויחד עם זאת הפולסים הנפרדים יוצרו מראש בצורה חכמה, כך שלאחר אלמנט הבליעה, ההתרחבות וההתאבכות – נוצר פולס יחיד חדש שהזמן בו הוא בשיאו ניתן להגדרה מראש. כך למשל יצרו בניסוי סדרה של פולסים שיצרו בתהליך המדידה פולס חדש שהגיע לפני הפולס הראשון בסדרה המקורית, זהו פולס שלכאורה נע יותר מהר ממהירות האור. באופן דומה גם יצרו סדרה אחרת של פולסים שהביאו בתהליך המדידה ליצירת פולס שהגיע יותר מאוחר מהפולס האחרון בסדרה המקורית, וזהו מימוש של אור שנע יותר לאט ממהירות האור.

חלק ממערך הניסוי. מעצב פולסים - המסוגל לייצר אות של אור המשתנה בזמן.

בתמונה: חלק ממערך הניסוי. מעצב פולסים - המסוגל לייצר אות של אור המשתנה בזמן.

 

על החיסרון והיתרון בשיטה החדשה

החיסרון בשיטה הוא שחלק גדול מהאור המקורי נזרק בתהליך המדידה ולכן אל הגלאי מגיעה בסופו של דבר כמות קטנה יחסית של אור, מה שמגביל את השימוש בשיטה ליישומים שאינם דורשים עוצמות אור גבוהות. אולם  היתרון בשיטה זו, בניגוד לשיטות המקובלות עד כה,  ליצירת אור איטי ומהיר שהיא אינה תלויה כלל וכלל בתווך שבין מקור האור לגלאי, אלא בתהליך המדידה, ומבחינה זו יש בה גמישות רבה וניתן ליישמה במערכות שונות ומגוונות.

קוונטים

מחקר

12.09.2021
תורת הקוונטים משפיעה על תהליך פליטת האור

סדרת מחקרים חדשה בהובלת פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל, חוקרים מהטכניון ו-MIT מגלה כי גלי האור הנפלטים מחלקיקים משנים חלק מתכונותיהם כתלות בתכונות הגליות של החלקיקים.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

סדרת מחקרים חדשה בהובלת חוקרים של אוניברסיטת תל אביב, טכניון ו-MIT מגלה כי גלי האור הנפלטים מחלקיקים משנים חלק מתכונותיהם כתלות בתכונות הגליות של החלקיקים, ובמילים אחרות: תורת הקוונטים משפיעה על תהליך פליטת האור. סדרת המחקרים נערכה בהובלת פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב ופרופ' עדו קמינר הוא חבר סגל בפקולטה לפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי וחבר במכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע"ש הלן דילר.

 

בסדרת המחקרים, החוקרים הראו כיצד גלי אור משתנים כתלות בתכונות הקוונטיות של החלקיקים הפולטים אותם, וכי ניתן לפרש את פליטת האור כהתממשות של תופעה קוונטית הנוגדת לגמרי את האינטואיציה שלנו: קריסת פונקציית הגל. החוקרים הראו גם קשר ישיר בין פליטת אור ובין שזירות קוונטית – התופעה העומדת בליבן של טכנולוגיות הצפנה ומחשוב קוונטיות.

 

החוקרים מסבירים: דמיינו כי אתם מתבוננים בגל מים הפוגע בשובר גלים ובו שני סדקים, כך שלאחריו נוצרים שני גלי מים חדשים הבוקעים משני סדקים אלו. אם נתבונן בצורתם, נראה מקומות שבהם הגלים גבוהים יותר – ומקומות שבהם הגלים נעשו נמוכים. תופעה זו נקראת התאבכות: שני הגלים מסתכמים יחדיו במקומות מסוימים ומבטלים זה את זה במקומות אחרים. כעת, דמיינו כי אתם מתבוננים בכדורי טניס הנזרקים לעבר קיר ובו שני סדקים. ברור כי חלק מהכדורים יעברו דרך הסדק הראשון וחלקם דרך הסדק השני. הכדורים לא "יסתכמו יחדיו" או "יבטלו" זה את זה, כמו שגלים עושים.

 

לעומת זאת, תורת הקוונטים – התיאוריה הפיזיקלית המתארת את התכונות של חלקיקים זעירים – גורסת כי חלקיקים אלה עשויים לעיתים להתנהג כגלים. אם נבצע את ניסוי "שני הסדקים" עם חלקיקים קוונטיים נראה כי החלקיק הקוונטי מסוגל לעבור דרך שני הסדקים שבקיר בעת ובעונה אחת. בניסוי נצפה בתבנית התאבכות המורכבת לסירוגין מפסים בהירים – עדות לפגיעת החלקיקים במסך – ופסים חשוכים המעידים על מיקומים שבהם החלקיקים לא פגעו. בהירותם של הפסים מאוד דומה לגובהם של גלי המים לאחר הפגיעה בשובר הגלים עם שני הסדקים. עם זאת, קיים הבדל מהותי בין גלי המים ובין גלי החלקיקים של תורת הקוונטים. אם נתבונן באחד הסדקים שבהם עבר החלקיק הקוונטי, תבנית הפסים על המסך תיעלם. עצם התצפית שלנו במיקום החלקיק באחד מהסדקים תגרום לו לעבור בוודאות דרך הסדק שבו התבוננו: פתאום החלקיק הקוונטי מתנהג כמו כדור הטניס. תופעה מוזרה זו נקראת "קריסת פונקציית הגל".

התאבכות גלי מים (משמאל), וניסוי שני הסדקים עם חלקיק קוונטי (מימין)

בתמונה: התאבכות גלי מים (משמאל), וניסוי שני הסדקים עם חלקיק קוונטי (מימין).

 

למרות ההתקדמות העצומה בהבנתנו את הפיזיקה הקוונטית, עדיין ייתכנו סתירות לכאורה בינה ובין הפיזיקה הקלאסית. למשל, בפיזיקה קלאסית ניתן למצוא את מסלולו ומהירותו של חלקיק הפולט אור, ולנבא מכך את אופיו של האור הנפלט ממנו. לעומת זאת, במכניקת הקוונטים אי אפשר למדוד את מיקומו ואת מהירותו של חלקיק קוונטי בעת ובעונה אחת (זהו עיקרון אי-הוודאות המפורסם של הייזנברג). כמו כן, לחלקיקים הקוונטיים תכונות גליות, והם משנים את תכונותיהם כאשר אנו "מתבוננים" בהם (קריסת פונקציית הגל).

פליטת אור בפיזיקה קוונטית (מימין) לעומת פיזיקה קלאסית. בתנאים מסוימים, גל ההלם אינו נוצר במקרה הקוונטי.

בתמונה: פליטת אור בפיזיקה קוונטית (מימין) לעומת פיזיקה קלאסית. בתנאים מסוימים, גל ההלם אינו נוצר במקרה הקוונטי.

 

סדרת מחקרים בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, הטכניון ו-MIT הראו איך תכונות אלו של המכניקה הקוונטית משפיעות על האופן שבו חלקיקים פולטים אור. החוקרים הראו שתופעות רבות הקשורות לפליטת אור, שהוסברו באותו האופן ב-100 השנים האחרונות, יכולות להתנהג באופן שונה מאוד מהצפוי. זאת, עקב השפעת האופי הקוונטי של חלקיקי החומר על האור הנפלט מהם.

 

במחקרם הראשון מ-2019 ניסו החוקרים למדוד התאבכות של גלי אור הנפלטים מאלומת אלקטרונים (חלקיקים תת-אטומיים קוונטיים הטעונים במטען חשמלי). המחקר, שנערך בהובלה משותפת של ד"ר רואי רמז והדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ' עדי אריה מאוניברסיטת תל אביב ופרופ' עדו קמינר מהטכניון, התפרסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters. במחקר השתתפו גם ד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, המסטרנט ניב שפירא וד"ר יוסי לריאה מאוניברסיטת תל אביב. באותו מחקר הראו החוקרים כי ההתאבכות של האור הנפלט אינה מתקבלת בניסוי. כאשר השתמשו בתורת הקוונטים כדי לתאר את תוצאות הניסוי הם גילו כי התיאוריה מנבאת אפקט דומה מאוד ל"קריסת פונקציית הגל". ברגע פליטת האור, פונקציית הגל של האלקטרון "קורסת" לנקודה מסוימת במרחב, כאילו מישהו צפה באלקטרון במיקום זה בדיוק. על כן, פליטת האור כבר אינה מתרחשת מכמה נקודות בעת ובעונה אחת, וההתאבכות של גלי האור נעלמת.

 

מחקר המשך שהתפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science Advances הראה כי יכולת ההתאבכות של גלי האור בזמן, האחראית ליצירתם של גלי אור קצרים וחזקים (פולסים), יכולה להיעלם גם היא עקב עיקרון אי הוודאות של הייזנברג. המחקר החדש נערך בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ' אריה ופרופ' קמינר ובשיתוף פעולה עם הדוקטורנט ניקולס ריוורה מ-MIT שבארה"ב. החוקרים הדגימו באופן תאורטי את היעלמות ההתאבכות של האור באמצעות אפקט אחר, הנקרא קרינת צ'רנקוב. נהוג להסביר את קרינת צ'רנקוב באנלוגיה למטוס סילון העוקף במהירותו את מהירות הקול ויוצר "בום על-קולי" הנקרא גם בשם גל הלם. באופן דומה, באפקט צ'רנקוב חלקיק העוקף את מהירות האור בתוך חומר שקוף אמור ליצור גל הלם – "בום על-אורי". התגלית החדשה של החוקרים מפתיעה כי מתברר שקרינת צ'רנקוב כלל אינה גל הלם, כפי שחשבו מדענים מאז גילוי האפקט ב1934. האנלוגיה בין מטוס הסילון לחלקיק הקוונטי איננה נכונה. רק בתנאים מיוחדים – התלויים בתכונות אי-הוודאות של החלקיק הקוונטי הפולט – הקרינה תיפלט בצורה של גל הלם.

 

לבסוף, במחקר נוסף שהתפרסם לאחרונה אף הוא ב-Physical Review Letters, בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי, פרופ' אריה, פרופ' קמינר והדוקטורנט ניקולס ריוורה, הצליחו החוקרים להראות כי כאשר אור נפלט בו זמנית משני אלקטרונים, תיתכן השפעה דרמטית של התכונות הקוונטיות של האלקטרונים על האור הנפלט. למשל, כאשר זוג אלקטרונים הם "שזורים קוונטית" – בעלי קשר הסתברותי קוונטי העומד בליבן של טכנולוגיות כגון הצפנה ומחשוב קוונטיים – ייפלטו, תחת תנאים מתאימים, גלי אור משני האלקטרונים יחדיו ונקבל התאבכות של אור התלויה באופן ישיר באופן שבו שני האלקטרונים היו "שזורים". בצורה זאת, טוענים החוקרים, התבוננות באור הנפלט מחלקיקים שזורים יכולה לתת אינדיקציה למידת השזירות שלהם מבלי למדוד אותם ישירות: אפשרות שיכולה להיות חשובה לשימושים עתידיים באלקטרונים כנושאי מידע קוונטי.

 

לכתבה ב YNET

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

פרופ' תמיר טולר

מחקר

09.09.2021
חוקרים מהנדסה ביו-רפואית וממכון זימין למחקר הנדסי הוכיחו שמוטציות "שקטות

החוקרים, בהובלת פרופ' תמיר טולר וסטודנטית המחקר טל גוטמן הצליחו לנבא את סוג הסרטן ואת שיעור התמותה ממנו לפי מוטציות "שקטות" בגנומים הסרטניים – הוכחת היתכנות שיכולה בעתיד להציל חיי

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

מוטציות "שקטות" מוגדרות ככאלה שלא משנות את רצף חומצות האמינו של החלבונים. בשנים האחרונות מצטברות הראיות לכך שמוטציות שקטות, הן בתוך והן מחוץ לאזור הקידוד הגנטי בתא, יכולות להשפיע על ביטוי גנים וכי ייתכן שהן קשורות להתפתחות ולהתפשטות של תאים סרטניים. עם זאת, עד כה לא נבדק כמותית האם המוטציות הללו יכולות לתרום לזיהוי סוג הסרטן ולניבוי סיכויי השרידות של החולה.

 

במחקר החדש, המבוסס על כשלושה מיליון מוטציות מגנומים סרטניים של 9,915 חולים, החוקרים ניסוי לבדוק האם הם יכולים לזהות את סוג הסרטן ולהעריך את שיעור התמותה ממנו 10 שנים לאחר האבחנה הראשונית אך ורק על סמך המוטציות השקטות – ומצאו כי יכולת הפרדיקציה של המוטציות השקטות דומה בהרבה מיקרים לביצועי הפרדיקציה המקובלת של המוטציות ה"רגילות". בנוסף ניסו החוקרים להעריך האם שילוב של מידע על מוטציות שקטות ורגילות יכולות לשפר יכולת הסיווג של סוג הסרטן, ומצאו כי המידע שמתקבל ממוטציות שקטות משפר את מרווח הטעות ב-68%. בסוגים מסוימים של סרטן מדובר בשיפור של עד 17% ביכולת הסיווג, כאשר שילוב שני סוגי המוטציה יכול לשפר את הפרוגנוזה בשיעור של עד 5%.

 

"בגנום שלנו, כמו בכל גנום של כל יצור חי אחר, ישנן מוטציות שיכולות לשנות את רצף חומצות האמינו של החלבונים שמקודדים בגנום", מסביר פרופ' טולר. "מאחר שהחלבונים הללו אחראים על המנגנונים השונים בתא, מוטציות כאלה מעורבות בהפיכת התא הבריא לתא סרטני. לעומתן, יש מוטציות שלא משנות את חומצות האמינו, ולכן קראו להן 'שקטות' והתעלמו מהן במשך שנים רבות. אנחנו ערכנו בפעם הראשונה אנליזות לכ-10,000 גנומים סרטניים מכל הסוגים, והראינו שיש למוטציות השקטות ערך דיאגנוסטי, איזה סוג סרטן זה, וגם ערך פרוגנוסטי, כמה זמן החולה ישרוד".

 

לדברי פרופ' טולר, החומר הגנטי בתא מחזיק בשני סוגים של מידע: מה רצף חומצות האמינו שמיוצר – ומתי וכמה לייצר מכל חלבון – כלומר הרגולציה של תהליך הייצור. "אותן מוטציות שקטות יכולות להשפיע על הרגולציה של ביטוי גנים, וזאת השפעה לא פחות חשובה מסוג החלבון שמיוצר. מן הסתם אם התא מייצר הרבה פחות מחלבון מסוים – זה גרוע כמעט כמו למחוק אותו. השפעה נוספת היא קיפול החלבון. החלבון הוא מולקולה ארוכה שכוללת בדרך כלל מאות רבות של חומצות אמינו, כאשר הקיפול התלת ממדי של המולקולה מתחיל כבר כשהן מיוצרות בריבוזום. קצב הייצור של החלבון על ידי הריבוזום משפיע על הקיפול, והמוטציות השקטות יכולות להשפיע על קצב הייצור של החלבון ולכן על הקיפול שלו – קיפול שהוא משמעותי לתפקוד בפועל. בנוסף, יש מקרים בהם המוטציות השקטות משפיעות על תהליך בשם שיחבור, שבו חתיכות מהחומר הגנטי נחתכות ליצירת הרצף הסופי שממנו ייווצר החלבון. בקיצור, מסתבר שהמוטציות השקטות האלה עושות הרבה מאוד רעש, ואנחנו הצלחנו לראשונה לכמת את ההשפעה שלהן".

 

כדי לבחון את השערתם ולכמת את השפעת המוטציות הללו, פרופ' טולר ועמיתיו השתמשו במידע גנטי ציבורי על גנומים סרטניים מהמכונים הלאומיים לבריאות (NIH) בארה"ב. החוקרים לקחו הנתונים על הגנום הסרטני וניסו בשיטות המבוססות על למידת מכונה לנבא מה סוג הסרטן וכמה שנים חי כל חולה לפי המוטציות השקטות – ולאחר מכן השוו את התוצאות שקיבלו לנתוני האמת מהמאגר.

אילוסטרציה של אינטראקציות שונות של החומר הגנטי עם פקטורים בתא שמבקרים את רמות הביטוי. מוטציות שקטות יכולות להשפיע על יעילות האינטראקציה עם הפקטורים האלה בתא הסרטני, ולכן להשפיע על רמות הביטוי של גנים שמשפיעים על השרידות של התא הסרטני.

תמונה: אילוסטרציה של אינטראקציות שונות של החומר הגנטי עם פקטורים בתא שמבקרים את רמות הביטוי. מוטציות שקטות יכולות להשפיע על יעילות האינטראקציה עם הפקטורים האלה בתא הסרטני, ולכן להשפיע על רמות הביטוי של גנים שמשפיעים על השרידות של התא הסרטני.

 

"לתוצאות המחקר מספר השלכות חשובות", אומר פרופ' טולר. "קודם כל שימוש במוטציות שקטות בהחלט יכול לשפר מודלים שחוזים פרוגנוזה ומשמשים לסיווג. חשוב לציין שגם לשיפור של 17% יש משמעות גדולה מאוד כי מאחורי המספרים האלה עומדים בני אדם שאנחנו אוהבים, ויום אחד אולי אנחנו עצמנו, לכן כל שיפור של אחוז הוא דרמטי. רופא שמגלה גרורות רוצה לדעת מה מקור הגרורה ומה מסלול התפתחות המחלה, כדי להתאים את הטיפול הטוב ביותר. אם למשל במקום דיאגנוסטיקה ופרוגנוסטיקה שגויות לחמישה מבין עשרה חולי סרטן נגיע למצב שבו שוגים רק בארבעה מכל עשרה חולי סרטן, זה יכול להיתרגם בסופו של דבר למיליוני חולים שאולי ניתן להציל את חייהם. בנוסף, התוצאות שלנו מראות שרק על סמך מוטציות שקטות ניתן במקרים רבים לקבל ביצועי ניבוי דומים להסתמכות על מוטציות שהן לא שקטות. זו תוצאות מעודדת, מכיוון שבשנים האחרונות מפותחות טכנולוגיות שמסווגות סרטן על סמך בדיקות דם לא פולשניות יחסית, המבוססות על אנליזה של חתיכות דנ"א ממקור סרטני. מאחר שרוב הדנ"א שלנו לא מקודד לחלבון, סביר להניח שרוב החתיכות מסוג זה שנדוג יכילו מוטציות שקטות".

 

למחקר החדש השלכות לכלל תחומי המחקר והטיפול האונקולוגי, ואחרי הוכחת ההיתכנות הזאת בכוונת החוקרים להקים סטארטאפ עם חממת "סאנרה", שיתמקד במוטציות השקטות ככלי רפואי לכל דבר ועניין.

 

עוד השתתפו במחקר: גיא גורן ועומרי עפרוני

למאמר ב npj genomic medicine

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה את הפתרון

מימין לשמאל: פרופ' עדי אריה, הדוקטורנטים דרור ויסמן וגאורגי גרי רוזנמן ופרופ' לב שמר. במרכז - מיקרוסקופ אופטי סורק לשדה הקרוב באמצעותו בוצעו המדידות של הגלים הפלזמוניים

מחקר

01.09.2021
חוקרים מבית הספר להנדסת חשמל ומכנית פיתחו מוליך גלים מסוג חדש

המערכת תאפשר הולכת גלים אלקטרומגנטיים בתחום קרני הרנטגן ובתחום הטרה-הרץ

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב הביא לפיתוחו של מוליך גלים חדש ויעיל, המבוסס על עקרונות יסודיים בפיזיקה, ואשר יאפשר להוליך גלים שעד כה היה מסובך לעשות זאת עמם.

 

מוליכי גלים מופיעים בשלל תצורות. דוגמה ידועה היא הסטטוסקופ (מַסְכֵּת בעברית) שמוליך את גלי הקול מגופו של הפציינט לאוזנו של הרופא. עבור גלי רדיו או גלי מיקרו, התצורה המוכרת של מוליך גלים היא צינור מתכת דק. עבור גלי אור שיטה יותר יעילה היא להשתמש בסיב אופטי העשוי מזכוכית, שמקדם השבירה שלו נבחר כך שהגלים נותרים כלואים בתוכו עד הגעתם למוצא הסיב. אולם, במקרים מסוימים קשה למצוא חומרים מתאימים שיאפשרו את כליאת הגלים. יש צורך במוליכי גלים היות שבלעדיהם הגלים יתרחבו ולא תתאפשר העברה יעילה מנקודה אחת לאחרת. כך למשל, גלים העוברים מבעד לסדק, בדרך כלל יתפשטו במרחב.

 

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט דרור ויסמן מקבוצתו של פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל ומופקד הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב. במחקר השתתפו הדוקטורנט גרי גאורגי רוזנמן, פרופ' לב שמר וכן חוקרים מאוניברסיטת אוּלְם בגרמניה – הדוקטורנט מוריץ קרמסין, ד''ר מקסים אפרמוב ופרופ' וולפגנג שלייך. המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

 

ניסויים חדשים עם גלים פלזמוניים (שילוב של אור ותנודות אלקטרוניות) ועם גלי כבידה משטחיים הנעים על פני מים, מראים כי רצף של סדקים מסוגל להוליך את הגלים במסלול צר. הסדקים חוסמים את הקצוות החיצוניים של הגלים, בעוד שהגלים הלא חסומים מתרכזים לאורך ציר מרכזי של מוליך הגלים כתוצאה מהתאבכות. המערכת הפשוטה הזו, המבוססת על סדקים, יכולה להיות שימושית במצבים בהם קשה לייצר מוליכי גלים רגילים, למשל עבור גלים אלקטרומגנטיים בתחום קרני הרנטגן או בתחום הטרה-הרץ.

 

ויסמן ושותפיו הצליחו לפתח מוליך גלים המבוסס על סדקים. "איננו זקוקים לשום חומר מיוחד עם מקדם שבירה מסוים", אומר ויסמן. "הדבר היחיד שאנו צריכים הוא חומר שחוסם את התקדמות הגלים". הרעיון מבוסס על תופעה הקרויה "מיקוד עקיפתי" (diffractive focusing), בה עוצמת הגלים העוברים דרך סדק עולה בטרם האלומה מתבדרת. בדרך כלל קשה להבחין במיקוד זה מאחר שהוא קורה בסמוך לסדק: עבור סדק ברוחב של כחמישה אורכי גל, המיקוד מתרחש בנקודה הממוקמת כשמונה אורכי גל בלבד מהסדק.

אלומת הלייזר משמאל מאירה סריג המייצר גל פלזמוני משטחי. הגל נקטם באופן מחזורי על ידי הסדקים. התפלגות העוצמה נמדדת על ידי הסיב המחודד (החלק הכחול באיור) של המיקרוסקופ האופטי הסורק

בתמונה: אלומת הלייזר משמאל מאירה סריג המייצר גל פלזמוני משטחי. הגל נקטם באופן מחזורי על ידי הסדקים. התפלגות העוצמה נמדדת על ידי הסיב המחודד (החלק הכחול באיור) של המיקרוסקופ האופטי הסורק.

 

במחקר קודם שעסק במיקוד עקיפתי, ויסמן ושותפיו מדדו גלים המתקדמים דרך שני סדקים ברצף, כאשר הסדק השני ממוקם בסמוך למוקד של הסדק הראשון.  הם הבחינו כי כאשר האור עובר דרך שני הסדקים יחד, תבנית העקיפה הייתה דומה לזו המתקבלת מסדק יחיד – כלומר, יתכן שניתן לחזור על התהליך עם סדק שלישי, רביעי וכן הלאה. הצוות חזה כי כל סדק יכול למקד את האות לפני הגעה אל הסדק הבא, וכך למעשה נוצר מוליך גלים.

 

החוקרים אימתו כעת את תחזיתם באמצעות שני ניסויים. הראשון, התבסס על גלים פלזמוניים – גלים אלקטרומגנטיים המתקדמים על פני משטח מתכת ומצומדים לאלקטרונים שבו. על מנת ליצור מוליך גלים פלזמוני מבוסס סדקים על לוח כסף, הצוות ייצר צמדים של קירות כסף ננומטריים דקים שהגל הפלזמוני יכול להתקדם ביניהם. לאחר מכן, הם עוררו את המבנה באמצעות אלומת לייזר ומדדו את התפלגות העוצמה באמצעות מיקרוסקופ אופטי הסורק את עוצמת הגל הפלזמוני בשדה הקרוב. הם העריכו כי כל סדק גורם לאיבוד של כ-10% מהאנרגיה של אלומת הלייזר, לנוכח קטיעה של קצות הגל ע"י הקירות. מוליך הגלים החדש הוא בעל הפסדי הולכה דומים לאלה של מוליכי גלים פלזמוניים קיימים.

 

בניסוי השני, הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן בחן את מוליך הגלים החדש באמצעות גלי כבידה משטחיים הנעים על פני מים, בבריכת גלים ייחודית שאורכה 18 מטרים, במעבדתו של פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב. בניסוי זה, החוקרים יצרו גל אשר התפשט בבריכת המים וקטמו אותו בכל פעם במישור הזמן. הצוות מדד את צורת הגל ליד נקודת המוקד, והזין את המידע לגבי עוצמת הגל והפאזה (מופע) שלו בחזרה למחולל הגלים כדי ליצור את חבילת הגלים הבאה, בעוד הם קוטמים את המידע שזלג החוצה מהסדק הזמני. הפעולה החוזרת הזו הראתה תבנית התפשטות חוזרת בכל פעם, הן בעוצמה והן בפאזה.

 

"מוליך הגלים החדש הוא פתרון כללי שניתן ליישום למגוון רחב של גלים", אומר ויסמן. בנוסף לגלי אור ולגלי מים, ניתן להשתמש בשיטה לצורך הולכה של גלי קול, גלי חומר ועוד. יתרון נוסף הוא שגדלי הסדקים ומיקומיהם ניתנים לכוונון. למשל, הצוות הראה כי כיווץ רוחב הסדקים אפשר למוליך הגלים להצר את האלומה, בעוד שהזזת מיקומי הסדקים משנה את כיוון האלומה.

 

קישור לכתבה ב YNET

קישור למחקר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש
שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>