פיזיקאים העוסקים בתחום של פיזיקה תיאורטית הוכיחו עתה כי ניתן לעקוב ולשלוט בתנועתם של אלקטרונים בתוככי מולקולות.

המחקר המדובר נכלל בתחום של אטו-פיזיקה (attophysics) – מעקב אחר חלקיקים בסקאלת זמנים של אטו-שנייה (המיליארדית של מיליארדית השנייה,10-18). לראשונה אי-פעם, פיזיקאים הצליחו לבצע תצפיות בסקאלת זמנים מהירה במיוחד של 100 אטו-שניות. פריצת הדרך מבטיחה לחוקרים שליטה על תנועתם של אלקטרונים בתגובות כימיות. החוקרים, בראשותו של ד"ר Hans Jakob Wörner מהמכון הטכנולוגי הפדרלי השוויצרי (ETH Zurich), ובשיתוף פעולה עם חוקרים ממוסקבה, הצליחו לעקוב אחר תנועתם של האלקטרונים בתוך מולקולה בזמן אמת והדגימו כי תהליכים אלו ניתנים לשליטה, כך שבעתיד ניתן יהיה לשלוט ישירות בהתקדמות של תגובות כימיות ושל תהליכים ביולוגיים לקבלת התוצאה המבוקשת. ממצאי המחקר פורסמו זה עתה בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.

בעזרת שימוש בשיטות של אטו-פיזיקה, החוקרים מנסים לעקוב אחר התנועה הסופר-מהירה של אלקטרונים בתוך מולקולות, או ביתר דיוק, לעקוב אחר הארגון מחדש שלהם בתוככי קליפות האלקטרונים (צפיפות האלקטרונים). תהליכים אלו הם המפתח להבנתן של תגובות כימיות וביולוגיות, לאור העובדה כי "הפיזור החדש" של אלקטרונים הוא האחראי ליצירתם של קשרים כימיים חדשים. "במהלך המחקר הצלחנו לצפות בתנועתם של אלקטרונים לאורך מולקולה קווית. הצלחנו לראות, לראשונה אי-פעם בהיסטוריה, את תנועתם של האלקטרונים, וכיצד תנועה זו מתרחשת, בפרטי פרטים. בנוסף, הצלחנו להדגים כי ניתן לשלוט בתנועה הזו, ולפיכך, אפשרי, באופן תיאורטי כרגע, לשלוט בתוצאות של תגובות כימיות", מסביר אחד מהחוקרים.

תמונה המציגה את השינוי בצפיפות האלקטרונים שבמולקולה. [באדיבות: Moscow Institute of Physics and Technology]

במסגרת הניסויים שלהם, החוקרים השתמשו במולקולות של יודו-אצטילן (iodoacetylene HCCI, ), שהמבנה שלהן מורכב משרשראות מוארכות בעלות ארבעה אטומים בלבד – מימן, שני אטומי פחמן ואטום יוד אחד. בחשיפה לפעימות לייזר עוצמתיות ומהירות במיוחד התצורה של קליפת האלקטרונים משתנה: מתהווה "חור" – חלל בתוך הקליפה שמתחיל להתנודד מהקצה האחד של המולקולה לקצה השני. החוקר מדגיש כי תנועה זו אינה כמו התנועה במובן המקובל של חיי היום יום שלנו, במסגרת חוקי הפיזיקה הקלאסית. "כתוצאה מיינון הנובע ממנהור לאחר חשיפה לשדה לייזר עוצמתי, מתהווה רִכּוּב (superposition) של שני מצבים קוונטיים של החור – מצב המזכיר את פרדוקס החתול של שרדינגר, שבו החתול הוא בו-זמנית גם בחיים וגם מת; במצב ריכוב זה, החור עשוי להימצא בקצוות המנוגדים של המולקולה באותו הזמן. ההסתברות "למצוא" את החור במי מהקצוות משתנה עם הזמן, ושינוי זה הוא הגורם לתוצאה של חור "הנודד" לאורך המולקולה. החור נע מקצה אחד של המולקולה לקצה השני והזמן האופייני הנדרש לנדידה זו הוא בערך 100 אטו-שניות", מסביר החוקר הראשי.

על ידי הקרנתן של מולקולות הנמצאות בכיווניות מוגדרת באלומות לייזר עוצמתי, החוקרים הצליחו לקבל ספקטרא המשקפים את מצבן של קליפות האלקטרונים במולקולות. בניסוי זה החוקרים הצליחו לקבל אוסף מלא של נתונים, לרבות המופעים היחסיים של ההרמוניות הנדרשות לשחזורו של חור דינמי. משימתם של החוקרים הייתה לבודד את המידע אודות הדינמיקה מתוך הנתונים שהתקבלו, וללמוד מכך כיצד לפענח את הספקטרא, בדיוק כמו שאסטרופיזיקאים מנצלים את אפקט דופלר של ספקטרום הכוכב על מנת לחשב את מהירותו. "במציאות, אנו לא צופים במיקומם המדויק של האלקטרונים, אלא בספקטרום גבה-ההרמוניות המתקבל כתוצאה מיחסי-הגומלין שבין אלומות הלייזר העוצמתי לבין המולקולות. בעזרת ספקטרא אלו, הקשורים באופן עקיף לתנועתו של החור, ניתן לשחזר את מיקומו, וזה בדיוק מה שעשינו במסגרת הניסויים שלנו", מסביר החוקר. בנוסף, באמצעות שינוי קיטוב אלומת הלייזר, החוקרים הדגימו את היכולת להשפיע על הדינמיקה הקשורה לארגון מחדש של קליפת האלקטרונים במולקולה בעזרת שדה לייזר. "ארגון מחדש זה הוא האחראי, בסופו של דבר, לתוצאות של כל התגובות הכימיות. אם יש בידך תערובת מגיבים העשויים להוביל למספר תוצרים אפשריים, אזי באמצעות בחירה מושכלת של סוגי אלומות הלייזר ניתן יהיה לבחור את התוצר הרצוי לך, ואותו בלבד", מסביר החוקר.