פרס וולף בפיזיקה לשנת 2025 מוענק במשותף לפרופסורים ג'ייננדרה ג'אין, מוטי הייבלום וג'יימס אייזנשטיין על תרומתם להבנת התכונות הייחודיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות בשדות מגנטיים חזקים.

שלושת הזוכים הובילו להבנה מעמיקה של אפקט הול הקוונטי השברי. תופעה זו, (שזיכתה את מגליה בפרס נובל,) מתרחשת בשכבת אלקטרונים דקה שעליה פועל שדה מגנטי חזק: הזרם החשמלי נראה כאילו הוא נישא על ידי חלקיקים שמטענם החשמלי הוא שבר של מטען האלקטרון.

ד"ר ג'אין פיתח מסגרת תאורטית להבנה אינטואיטיבית של התופעה, כאשר הציג את החלקיק בעל המטען ״השבור״ כ״פרמיון מרוכב״: אלקטרון המחובר לגליל דמיוני בו כלוא שטף מגנטי. הרעיון המהפכני של ד״ר ג’אין-מערכת שבה מספר רב של  אלקטרונים שביניהם אינטראקציות חזקות יכולה להיות מתוארת על ידי חלקיקים מרוכבים שביניהם אינטראקציות חלשות- מסבירה במלואה את תופעת הול השברית. חלקיקים מרוכבים אלו ידועים כיום כ״מצבי ג’אין״. חישובים שנעשו במסרגת התאורטית התאימו להפליא לתוצאות מחקרים נומריים והסבירו תוצאות ניסיוניות, במיוחד של ניסויים (שבהם צפיפות האלקטרונים התאימה לערך השברי )5/2 שמצאו התנהגות הדומה במידת-מה לזו של מוליך-על.

ד"ר הייבלום הוביל את חקר חלקיקים אקזוטיים אלה במעבדה. באמצעות פיתוח חומרים (חצאי-מוליכים) בדרגת ניקיון גבוהה במיוחד ושימוש בטכניקות של התאבכות אלקטרונית, סיפקה הקבוצה של הייבלום עדויות ישירות לקיומו של מטען שברי ואימתה מספר תחזיות יסודיות, כמו הסטטיסטיקה האנומלית (זו שנמצאת בין הסטטיסטיקה של פרמיונים לזו של הבוזונים.) ניסוי מרכזי בקבוצתו של הייבלום גילה במפתיע הולכת חום מקוונטטת בחומר בו צפיפות האלקטרונים מתאימה לערך השברי .5/2 הניסוי הזה מאשש את התחזית כי הפרמיונים המרוכבים הינם פרמיוני מאיורנה בעלי המטען השבור, שלהם השלכות אפשריות על מחשוב קוונטי.

ד”ר אייזנשטיין היה שותף לגילוי מצב הול הקוונטי השברי המתאים לערך ,5/2 והמשיך לחקור פאזות אקזוטיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות. מחקריו כוללים גילוי של מצב אנאיזוטרופי שבו ההתנגדות הנמדדת לאורך כיוון מסוים גדולה באופן משמעותי מההתנגדות בכיוון המאונך לו, תופעה המזכירה גביש נוזלי. השיטות שפיתח ד”ר אייזנשטיין להפרדת שכבות מגע של אלקטרונים בודדים, אפשרו להבין את התנועה המתואמת של זוגות אלקטרון-חור בשתי השכבות. באופן כזה הוא ראה בניסוי את עיבוי בוז-איינשטיין, תצפית פורצת דרך בתחומה.

הענקת פרס וולף לשנת 2025 לשלושת הפיזיקאים האלה מהווה הכרה בתרומותיהם יוצאות הדופן לחקר חומרים קוונטיים, והשפעותיהן מרחיקות הלכת על טכנולוגיות קוונטיות מתפתחות.

ג'ייננדרה ג'אין

ג'ייננדרה ג'אין ,1960( הודו) קיבל תואר ראשון במכללת מהרג'ה בג'איפור ,)1979( תואר שני בפיזיקה במכון הטכנולוגי ההודי )IIT( בקאנפור ,)1981( ודוקטורט באוניברסיטת סטוני ברוק )1985( בהנחיית הפרופסורים פיליפ ב. אלן וסטיבן קיבלסון. לאחר תקופות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת מרילנד )1988( ובאוניברסיטת ייל ,)1989( חזר ג'אין לאוניברסיטת סטוני ברוק כחבר סגל בשנת .1989 בשנת 1998 הצטרף לאוניברסיטת פנסילבניה, שם הוא ממשיך בעבודתו עד היום. הוא כתב את הספר Fermions Composite Fractional Quantum Hall Effects: New Developments של שותף כעורך ושימש )2007 ,'קיימברידג אוניברסיטת הוצאת((הוצאת וורלד סיינטיפיק, )2020 יחד עם ברטראנד הלפרין.

ג'יימס אייזנשטיין

ג'יימס אייזנשטיין ,1952( ארה"ב) קיבל תואר ראשון באוניברסיטת אוברלין, ארה"ב בשנת 1974 והשלים דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, בשנת .1980 לאחר ששימש כמרצה באוניברסיטת ויליאמס, הצטרף למעבדות בל בשנת 1983 כחבר בצוות הטכני. בשנת 1996 קיבל משרת סגל במכון הטכנולוגי של קליפורניה )Caltech( והפך לפרופסור לפיזיקה ופיזיקה יישומית ע"ש פרנק ג'יי. רושק בשנת .2005 הוא פרש כפרופסור אמריטוס בשנת 2018 וסיים את מחקריו הניסיוניים בשנת .2021 אייזנשטיין תרם לוועדות רבות של המועצה הלאומית למחקר בארצות הברית, כולל ועדת מדעי המצב המוצק והוועדה לפיזיקה ואסטרונומיה. בנוסף, שימש .2017-ל 2014 השנים בין Annual Review of Condensed Matter Physics העת כמשנה כעורך.

מוטי הייבלום

מוטי הייבלום ,1947 (ישראל) פיזיקאי ומהנדס חשמל, קיבל תואר ראשון בטכניון בשנת ,1973 תואר שני באוניברסיטת קרנגי מלון, ארה"ב בשנת ,1974 ותואר דוקטור בשנת 1978 מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. כולם בהנדסת חשמל. את הקריירה שלו החל במרכז המחקר תומאס ג'יי ווטסון של ,IBM שם עבד במשך 12 שנים. בשנת 1990 שב הייבלום לישראל כדי להקים את המרכז התת-מיקרוני למחקר התקני מוליכים- למחצה ממוזערים במכון ויצמן למדע, בו הוא משמש כמנהל מאז היווסדו. בנוסף, הוא ייסד ועמד בראש המחלקה לפיזיקת חומר מעובה, והוא מכהן בקתדרה על שם אלכס ואידה סוסמן למחקרים תת-מיקרונים.

הפוסט פרס וולף בפיזיקה לשנת 2025 מוענק לחוקרי מיחשוב קוונטי ובהם פרופ' מוטי הייבלום ממכון ויצמן הופיע לראשונה ב-Chiportal.

לפני שנים ספורות זה היה נשמע דמיוני לגמרי. מדי יום, מיליוני אנשים בעולם מפעילים בקלות מערכות של בינה מלאכותית יוצרת (generative AI) שמפיקות במהירות מסחררת טקסטים, תמונות וסרטונים. חלק מהתוצרים נראים כאילו הם מעשה ידי אדם, ואילו אחרים מציגים מראות שמעולם לא התקיימו.

ההתקדמות המהירה של מודלי שפה גדולים (LLM), שלאחר שנים ארוכות של פיתוח החלו לייצר טקסטים מורכבים ואמינים למדי, הפתיעה אפילו את המומחים בתחום. כתוצאה מכך, הופנה זרקור גם אל המודלים היוצרים תמונות וסרטונים – והפיתוח שלהם הואץ. כיום, מודלים אלה מסוגלים ליצור בתוך שניות סרטון מציאותי של רחוב עירוני או של סנאי מטייל על הירח, כשכל מה שנדרש הוא להזין אליהם טקסטים קצרים או להציב בפניהם תמונות בתור מקור ויזואלי. אך לצד היכולות האדירות והחששות מן הסיכונים הטמונים במחשבים בעלי עוצמות כאלה, טווח הפעולה של רשתות הלמידה העמוקה עדיין מוגבל, במיוחד בכל הקשור לווידאו, וזהו אתגר שמעסיק מדענים רבים.

אבל איך מודלים של למידה עמוקה מצליחים לבצע את הקסמים האלה? מתברר שגם למדענים הדבר אינו ברור לגמרי. מסבירה ד”ר דקל: “התחום של הבינה המלאכותית היוצרת עבר שינוי פרדיגמה. בעבר הלא רחוק, המודלים היו הרבה יותר קטנים, פשוטים ונועדו לפתור משימות ספציפיות, לרוב על ידי שימוש במידע מתויג.  לדוגמה, על מנת ללמד מחשב לזהות אובייקטיבים בתמונות, היה צורך להציג בפניו אוסף תמונות שבו הם מתויגים ולהסביר לו שכאן ישנה מכונית, שם ישנו חתול וכך הלאה. כיום, המודלים גדלו והשתכללו והם מסוגלים ללמוד מכמות עצומה של מידע, ללא תיוג אנושי. המודלים לומדים ייצוג אוניברסלי של העולם החזותי שיכול לשמש למגוון משימות, ולא רק למשימה הספציפית שאליה הם אומנו מלכתחילה”. אך בעוד ששכלול יכולת הלמידה העצמית של המודלים ניכר לעין, אנחנו עדיין לא יודעים איך בדיוק הם פועלים. “חלקים ניכרים מרשתות הבינה העצבית הם ‘קופסאות שחורות’ עבורנו”, מוסיפה ד”ר דקל. האנגימה מתחדדת כשמדובר במודלים שיוצרים סרטונים, מכיוון שכל שנייה של סרטון מורכבת מכ-25 תמונות שונות, ולכן הגודל של רשתות המחשבים הנדרשות לשם כך, והאתגרים החישוביים שעמם הן מתמודדות, מתעצמים עוד יותר ביחס למודלים שיוצרים טקסטים או תמונות – וכך מתרחב גם טווח הפעולה שאינו מובן לחוקרים.

מבחינתה של ד”ר דקל, ה”קופסאות שחורות” של המודלים הן הזדמנות פורה למחקר: “תוך כדי תהליך הלימוד העצמי, המודלים צברו ידע אדיר על העולם. כחלק מהמחקר על יצירה מחדש של המציאות בכלים דיגיטליים, אנחנו מנסים להפיק תוצרים חדשים מהמודלים הקיימים כמעט בלי לשנות אותם, אלא רק על-ידי פענוח טוב יותר של דרכי הפעולה שלהם תוך ניסיון לחשוף משימות חדשות שאותן הם מסוגלים לבצע”, אומרת ד”ר דקל על המחקר שבו שותפים ד”ר שי בגון ממכון ויצמן למדע, יוני קסטן מאנבידיה והסטודנטים עומר בר טל, נרק טומניאן, מיכל גייר, רפאיל פרידמן ודנה יתים.

החוקרים במעבדה של ד”ר דקל מחפשים אחר דרכי עיבוד חכמות הכוללות פירוק התוכן למרכיבים פשוטים יותר, כמו תמונה המציגה את הרקע של הסרטון ותמונות אחרות שכל אחת מהן מוקדשות לאובייקטים המשתנים במהלך הסרטון. הפרדה זו מקלה מאוד על העריכה: במקום לעבד מספר אדיר של פיקסלים, נערכת תמונה אחת בלבד וכל הפריימים האחרים משתנים בהתאם. לדוגמה, אם צבע של שמלה משתנה בפריים אחד, המודל מבין איך לעדכן את השינוי בסרטון כולו כדי שההמשכיות תישמר. אתגר נוסף שמעסיק את החוקרים נובע מהעובדה שתוצרים רבים של המודלים אינם נראים אמינים והאובייקטים שמופיעים בהם נעים באופן שונה מכפי שהיינו מצפים על פי ניסיוננו בעולם.

במסגרת המאמצים לגרום למודלים להפיק סרטונים שבהם התנועה היא עקבית והגיונית, במעבדה של ד”ר דקל הראו איך ניתן להרחיב את היכולת של מודל שמייצר תמונה על פי טקסט – כך שיוכל גם ליצור ולערוך סרטונים. לדוגמה, הם הזינו למודל בקוד פתוח שנקרא Stable Diffusion סרטון של זאב שמסיט את ראשו מימין לשמאל, וביקשו ממנו ליצור סרטון דומה שבו מופיעה בובה סמרטוטית הדומה לזאב. בתחילה הסרטון שיצר המודל נראה מקוטע ולא אמין, אבל על-ידי זיהוי הייצוגים של המרכיבים השונים בתמונות והבנה מעמיקה יותר של ההוראות שאותן יש להזין למודל – החוקרים הצליחו לגרום ליצירה של סרטון שבו בובת הזאב נעה באופן משכנע.

באחרונה קיבלה ד”ר דקל מענק של מועצת המחקר האירופית (ERC) לחוקרים צעירים בסכום של 1.5 מיליון יורו. במסגרת המענק, היא מתכננת להתמודד עם מגבלות נוספות שמעכבות את המודלים בדרכם ליצירה ולעריכה של סרטונים. בשל המורכבות הרבה של עיבוד וידאו, ישנו פער משמעותי בין הידע שמודל כזה צבר מהסרטונים הרבים שבאמצעותם הוא התאמן, לבין המאפיינים הייחודיים של תנועה בסרטון מסוים שאותו מבקשים מהמודל ליצור. ד”ר דקל תנסה לפתח מודל שיוכל להסיק טוב יותר מהניסיון הנצבר שלו על אלפי סרטונים שונים לגבי הצרכים של סרטון אחד בודד.

ומה לגבי החששות מפני העוצמה האדירה הטמונה במודלים הממוחשבים? ד”ר דקל אומרת: “ישנו איזון עדין בין המודעות להשפעה של הטכנולוגיה, על הסיכונים הטמונים בכך, לבין הרצון לקדם אותה, וזו המחויבות שלנו לשמור על כך. ייתכן שלפעמים נדמה לציבור הרחב כאילו המודלים הם כל-יכולים, אבל זה אינו המצב כיום. המטרה המרכזית שלי בתור חוקרת היא להרחיב את האפשרויות היצירתיות שעומדות בפני כל אחד, גם מי שהם לא אנשי מקצוע, ולקדם את המדע ואת היכולת החישובית לראות את העולם”.

עוד בנושא באתר הידען:

הפוסט ענקית הווידאו הופיע לראשונה ב-Chiportal.

• מדעני מכון ויצמן חיפשו איך לבסס שיטה יעילה לעיבוד מידע במחשבים קוונטיים – וגילו במפתיע סוג חדש של מערבולות הנוצרות במפגש בין שני פוטונים

מערבולות הן תופעה פיסיקלית מוכרת שאותה אפשר למצוא במבנה של גלקסיות, בסופות טורנדו והוריקן, בכוס תה או במים המתנקזים מהאמבטיה. לרוב, מערבולות נוצרות במפגש פתאומי בין אזור של תנועה מהירה מאוד לאזור שבו התנועה איטית, והן מתאפיינות בזרימה מעגלית מסביב למוקד נייח. לפיכך, תפקיד המערבולות הוא לגשר על המתח בין סביבות קרובות שבכל אחת מהן מהירות הזרימה שונה.

מערבולות מסוג שלא היה מוכר עד כה נחשפו במחקר של ד”ר לי דרורי, ד”ר בנקים צ’נדרה דס, תומר דנינו זוהר וד”ר גל וינר ממעבדתו של פרופ’ עופר פירסטנברג מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. החוקרים יצאו לדרך במטרה לבסס שיטה יעילה לעיבוד מידע במחשבים קוונטיים באמצעות פוטונים – וגילו במפתיע מערבולות שנוצרות במפגש, הנדיר כשלעצמו, בין שני פוטונים.

אינטראקציה בין פוטונים – חלקיקי אור שמתאפיינים גם בתכונות של גלים – אפשרית רק בתיווך חומר. במסגרת הניסוי, החוקרים הפגישו בין פוטונים באמצעות יצירה של סביבה ייחודית: מכל זכוכית באורך כ-10 ס”מ שהינו ריק לגמרי, למעט אטומי רובידיום הדחוסים במרכזו לכדי ענן גז קטן וצפוף שאורכו כמילימטר. החוקרים ירו עוד ועוד פוטונים אל ענן הגז הדחוס, מדדו את מצבם אחרי שחלפו דרכו וחיפשו אחר סימנים להשפעה הדדית ביניהם.

מסביר פרופ’ פירסטנברג: “הפוטונים שנכנסים אל ענן הגז הצפוף מעוררים שורה של אטומים למצבים אקזוטיים הנקראים מצבי רידברג. במצבים אלה, אחד האלקטרונים באטום נע במעגל שקוטרו פי אלף ויותר מקוטרו של האטום. אלקטרון זה מייצר שדה חשמלי שמשפיע על אטומים רבים בסביבתו והופך אותם למעין ‘כדור זכוכית’ דמיוני”. הדימוי של כדור זכוכית נועד לשקף את העובדה שפוטון שני שנקלע למקום אינו יכול להתעלם מהמצב שיצר סביבו הפוטון הראשון, והוא משנה בתגובה את מהירותו כאילו עבר דרך זכוכית. לכן, כאשר שני פוטונים חולפים קרוב יחסית זה לזה, מהירותם שונה מזאת שהייתה לוּ התקדם כל אחד מהם לבדו. עם מהירות הפוטון, משתנה גם הקצב שבו הוא מגיע לנקודות השיא והשפל שלו. במקרה האידיאלי, המיקומים של נקודות הגאות והשפל של הפוטונים מתהפכים לחלוטין בשל ההשפעה ההדדית ביניהם, תופעה המכונה שינוי פאזה של 180 מעלות.

המסלול של הפוטונים בענן הגז ייחודי, וגם המסלול של המחקר עצמו היה יוצא דופן. המחקר, שבו השתתפו גם ד”ר אילון פואם וד”ר אלכסנדר פודובני, החל לפני שמונה שנים ובמהלכו התחלפו שני דורות של דוקטורנטים במעבדה של פרופ’ פירסטנברג. בהדרגה, הצליחו מדעני המכון ליצור ענן גז קר מאוד, דחוס וצפוף יותר באטומים – והגיעו להישג בקנה מידה עולמי של פוטונים שעברו שינוי פאזה של 180 מעלות, ואף מעבר לכך. בשיא הצפיפות של ענן הגז וכאשר הפוטונים צמודים אחד לשני – עוצמת ההשפעה ביניהם הינה מקסימלית. אך כשהפוטונים מתרחקים זה מזה או כשצפיפות האטומים סביבם יורדת – שינוי הפאזה נחלש ונעלם. אפשר היה להניח שירידת העוצמה הזו תהיה הדרגתית ותו לא, אך אז התגלתה התוצאה הבלתי-צפויה: צמד מערבולות שמתפתחות כאשר שני הפוטונים נמצאים במרחק מסוים זה מזה. בכל אחת מהמערבולות, הפוטונים משלימים שינוי פאזה מלא של 360 מעלות, ובמרכז שלהן כמעט שלא נמצאים פוטונים – כמו במוקד החשוך שמוכר ממערבולות אחרות.

מערבולות הפוטונים האלה דומות למצב שנוצר כאשר דוחפים צלחת במים, והתנועה המהירה של המים כתוצאה מדחיפת הצלחת פוגשת את התנועה האיטית סביבה. אז נוצרות שתי מערבולות שנראות מעל פני המים כשהן נעות יחד. בשלבים האחרונים של המחקר, הוסיפו מדעני המכון לניסוי פוטון שלישי, שהראה עד כמה דומות המערבולות שמצאו לאלה המוכרות מסביבות אחרות. הפוטון השלישי הוסיף לממצאים ממד שלישי, וכך התגלה כי שתי המערבולות שנצפו במדידה של שני פוטונים הן למעשה חלק מתופעה ידועה של טבעת מערבולות. כך למשל, החלק של הצלחת השקוע במים יוצר חצי טבעת שמחברת בין שתי המערבולות שנראות מעל פני המים וגורמת לכך שהן נעות יחד. מקרה מוכר נוסף של טבעת מערבולות מתגלה בהפרחה של טבעת עשן, שמורכבת למעשה ממערבולות רבות שנעות יחד באוויר.

אמנם המערבולות גנבו במפתיע את ההצגה, אבל החוקרים ממשיכים אל עבר היעד של עיבוד מידע קוונטי. בניסויי המשך, הם מתכננים לשלוח את הפוטונים אחד אל מול השני כדי למדוד את השינוי בפאזה של כל פוטון בנפרד. בהתאם לעוצמת השינוי בפאזה של הפוטון, הוא יוכל לשמש בתור קיוביט – יחידת זיכרון של מחשב קוונטי, שבניגוד לזיכרון רגיל שנמצא רק במצב של 0 או 1, יכולה להיות גם במצבי ביניים.

הפוסט כשחלקיק אור רואה את האור הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מסכי OLED חוללו מהפכה בתחום האלקטרוניקה הביתית. צגים שקופים, דקים, גמישים וחסכוניים אלה, המאפיינים בין היתר טלפונים חכמים, עדיפים בכמה היבטים על מסכי LCD או פלסמה. עם זאת, אף שהם נחשבים לחסכוניים יותר בחשמל, הם עדיין בזבזניים למדי: כמחצית מהאור שהם מפיקים יורדת לטמיון בשל מגבלה שנחשבה עד כה לנובעת מהמאפיינים הפיסיקליים של האור, ולכן בלתי-נמנעת. מחקר חדש, בהובלת מדעני מכון ויצמן למדע, עשוי לשנות את התמונה בכל המובנים. שיטה חדשה, שפיתחו פרופ' בינגהיי יאן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה ועמיתיו למחקר, מאפשרת לשלוט בתכונה חשובה של האור וכך להכפיל את בהירותם של מסכי OLED או, לחלופין, לשפר מאוד את יעילותם האנרגטית. יתרה מכך, השיטה החדשה עשויה לאפשר תקשורת נתונים מהירה יותר.

כדי להבין את בזבוז האור המתרחש גם במסכים המתקדמים ביותר בשוק, יש להתעכב תחילה על תופעת טבע בסיסית המכונה "כיראליות". בביולוגיה ובכימיה, כיראליות מתייחסת למולקולות שהן תמונת ראי האחת של השנייה, כלומר הן זהות מבחינה כימית, אך נבדלות במבנה המרחבי שלהן ולא ניתן להציבן כך שיחפפו זו את זו – ממש כמו כף יד ימין וכף יד שמאל שלנו (המושג כיראליות מקורו במלה היוונית שמשמעה "יד"). שתי מולקולות זהות אך כיראליות עשויות לפעול בדרכים שונות לחלוטין. לדוגמה, המולקולה אספרטיים ידועה כממתיק, ואילו תאומתה הכיראלית אינה ממתיקה כלל. בתעשיית התרופות ישנן מולקולות כיראליות, שרק גרסה אחת שלהן מרפאת, בעוד הגרסה השנייה במקרה הטוב אינה מועילה, ולעתים אף מזיקה. בפיסיקה, לעומת זאת, כיראליות מתייחסת לסיבוב של חלקיקים ביחס לציר תנועתם. כלומר, כשפוטונים או אלקטרונים מתקדמים בחלל, הם גם מסתובבים סביב צירם. כשהסיבוב הוא עם כיוון תנועתם, כמו קליע אקדח, הכיראליות של החלקיקים ימנית; כאשר הוא בכיוון ההפוך, הכיראליות שלהם שמאלית.



באופן מעניין, סוגי הכיראליות השונים – הפיסיקלית והביוכימית – מתכתבים זה עם זה: למשל, ידוע כיום כי הכיראליות הגיאומטרית של מולקולות אורגניות קובעת גם את הכיראליות של חלקיקים העוברים דרכן.

ומה עניין כיראליות לסמארטפונים? ובכן, מסכי OLED מצופים בשכבה חיצונית שקופה העשויה מחומר כיראלי אשר מסנן חלקיקי אור (פוטונים) לפי הכיראליות שלהם. הסינון הזה נחוץ כדי לנטרל אור סביבתי, הכולל פוטונים בעלי כיראליות ימנית ושמאלית גם יחד, ולכן עלול להוריד את הניגודיות של המסך ולהקשות עוד יותר את הצפייה בו באור יום. השכבה המסננת הזאת חיונית אמנם לתפעול מערכות תצוגה באור – נסו לנווט בעזרת הטלפון החכם שלכם בצהרי היום בלעדיה – אבל היא בזבזנית, שכן הכיראליות של כמחצית מהפוטונים שמפיק המכשיר אינה תואמת את זו של השכבה החיצונית ולכן הם אינם מגיעים אלינו.

במחקר החדש, פרופ’ יאן וצוותו מציגים שיטה יעילה לשליטה בכיראליות של פוטונים בעזרת שליטה בזרם אלקטרונים – דבר שנחשב עד כה לבלתי-אפשרי. הדרך להשיג זאת היא באמצעות רכיבי OLED הפולטים אור בשני כיוונים מנוגדים בו-בזמן: קדימה, אל משתמש הקצה, ואחורה, אל משטח המצופה בפולימר כיראלי שהותקן בגבם של הצגים. כך חצי מהאור המופק יעבור את השכבה החיצונית ללא הפרעה, כפי שקורה כיום, אבל שאר האור לא יבוזבז: הוא יפגע בשכבה שבגב הצג והיא תהפוך את הכיראליות שלו ותאפשר לו להגיע אלינו. אבל כיצד מהפך הפולימר בגב המכשיר את הכיראליות של הפוטונים?



ממצאים משונים – ובלתי-נמנעים

ובכן, היכולת להפך את הכיראליות של הפוטונים ראשיתה בתוצאות ניסוייות מוזרות ביותר של ד"ר לי ואן, אז חוקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת לינקופינג בשוודיה. "הממצאים האלה סתרו את כל מה שהיה ידוע בתחום", נזכר פרופ’ יאן. "מדענים אחרים התקשו להאמין לתוצאות. הם אמרו שבוודאי משהו השתבש בניסויים".

בניגוד למה שהיה ידוע בזמנו, ד”ר ואן והמנחה שלו דאז, פרופ' אלסדיר קמפבל, הראו שביכולתם להפוך את הכיראליות של זרם אלקטרונים באמצעות היפוך הקוטביות של סוללה המייצרת זרם חשמלי. פרופ' קמפבל היה משוכנע שהם גילו משהו חשוב, אבל הוא מת ב-2021, מבלי שנמצא הסבר תיאורטי לתוצאות הניסוייות המשונות. לאחר מותו, יצר ד"ר ואן קשר עם פרופ' יאן, לאחר שצפה בהרצאה ברשת, שבה מסביר פרופ' יאן באמצעות פיסיקה קוונטית כיצד קובעת כיראליות של חומר את הכיראליות של זרם אלקטרונים.

בעקבות פנייתו של ד"ר ואן, החל פרופ’ יאן לנתח את הממצאים הניסויים המשונים עם עוד שני מדענים: ד"ר יז'ו ליו מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ופרופ' מתיו ג' פוכטר מאימפריאל קולג' לונדון. הודות לממצאים אלה, הרחיב פרופ’ יאן את התיאוריה שלו על כיראליות והראה כיצד מדובר בתוצאות בלתי-נמנעות של התיאוריה שהוא עצמו פיתח. גילויים חדשים אלה סללו בפני המדענים את הדרך לשליטה בכיראליות של האור הנפלט מזרם אלקטרונים: כל שהיה עליהם לעשות הוא להשתמש בפולימר כיראלי המאפשר שליטה בכיראליות של זרם האלקטרונים וכתוצאה מכך גם בזו של זרם הפוטונים.



"גילינו אחדוּת מעניינת בין היבטים שונים של כיראליות, שלכאורה מנותקים זה מזה: הגיאומטריה המבנית של חומר, הכיראליות של זרם אלקטרונים, וכעת גם הכיראליות של האור", מסכם פרופ’ יאן את המחקר החדש.

מעבר לייצור של מסכים יעילים יותר, ממצאי המחקר יכולים לשפר דרמטית את תחום העברת הנתונים הדיגיטליים באמצעות יצירה של מתגים אופטיים שיעבדו במהירות הרבה יותר גבוהה ממתגים מכניים. בנוסף, תוצאות המחקר מצביעות על הצורך לעדכן את ספרי הלימוד בכל הנוגע לכיראליות.

לעובדה שפרופ' יאן הגיע לתגליות האלה דווקא במכון ויצמן יש משמעות אישית בעבורו. פרופ' יאן נולד בסין והגיע לישראל לאחר שהות בארצות-הברית ובגרמניה כחוקר בתר-דוקטוריאלי. בהשראת מחקר מ-2011 של פרופ' רון נעמן מהמכון, החל פרופ' יאן להעמיק ביחסי הגומלין בין סוגים שונים של כיראליות. ב-2017, לאחר שכבר הצטרף לסגל המכון ועבר לישראל עם אשתו ושני ילדיו, נפל לו האסימון, וכעת הוא קולגה של פרופ' נעמן – מי שהצית את עניינו בכיראליות מלכתחילה. "זו סגירת מעגל בעבורי", אמר פרופ’ יאן, "ויש לזה גם ערך מוסף: אני יכול, מעת לעת, לקפוץ לרון ולשתות קפה ביחד תוך כדי שיחה על כיראליות".

הפוסט ויהי אור, יותר אור הופיע לראשונה ב-Chiportal.

כבר כמה עשורים מהוות סריקות MRI אמצעי חיוני בזיהוי שלל מחלות, ועקב כך, בהצלת אין-ספור בני-אדם. בפשטות, טכנולוגיה זאת מאפשרת להפיק תמונה קוהרנטית של פְּנים הגוף, באמצעות מדידת צפיפות מולקולות המים. התמונה מתקבלת ברזולוציה של 1 מילימטר מעוקב – מידת הפרדה מצוינת אם מטרתנו לבדוק אם קיים, למשל, קרע במניסקוס בברך. אבל מה בנוגע למבנה של מולקולה בודדה? גודלה של מולקולה כזאת הוא בסביבות 5 ננומטר מעוקב – כלומר, היא בערך פי 10 טריליון יותר קטנה מהרזולוציה הגבוהה ביותר שאליה מסוגל להגיע סורק ה-MRI החדיש ביותר, ולכן – על פניו – מדובר במשימה בלתי-אפשרית. אבל בעבור ד"ר עמית פינקלר מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע – זאת המשימה. במאמר שהתפרסם באחרונה, הצליחו ד"ר פינקלר, תלמיד המחקר דן יודילביץ ושותפיהם מאוניברסיטת שטוטגרט, גרמניה – ד"ר ריינר שטוהר וד"ר אנדריי דניסנקו – להשלים צעד נוסף בכיוון זה, כאשר הדגימו שיטה חדשה לדימות אלקטרונים בודדים. השיטה אמנם מצויה בשלב הפיתוח הראשוני, אך ייתכן כי בעתיד תיושם לצורך דימות ברמה המולקולרית – מה שעשוי לחולל מהפכה בפיתוח תרופות חדשות ובאפיון של חומרים קוונטיים.

MRI הייתה ועודנה שיטה פורצת דרך, אך במקרים מסוימים יש לה חסרונות. לדוגמה, כדי שתפעל כשורה, יש צורך בדגימה גדולה יחסית – לכל הפחות כמה מאות מיליארדי מולקולות מים – וכתוצאה מכך הפלט המוצג הוא מעין ממוצע של רכיבים קטנים יותר – שאותם המכונה אינה מסוגלת לזהות. ברוב סוגי האבחונים – המיצוע הוא למעשה התוצאה הרצויה והמיטבית. אבל במקרים אחרים – למשל, בפיתוח תרופות – נדרשת עבודה על יריעה קטנה ככל האפשר, שתספק תוצאות מדויקות. מעבר לכך, כאשר עורכים ממוצע של רכיבים שונים רבים כל-כך – חלק מהמידע עשוי ליפול בין הכיסאות, וכך אף למנוע את גילויים של תהליכים חשובים אשר קורים בקנה-מידה קטן במיוחד. לצורך כך, מציעים המדענים צילום תקריב מולקולרי.

השיטה החדשה יכולה לאתר את מיקומו המדויק של אלקטרון בודד באמצעות החלת שדה מגנטי וסיבובו סביב יהלום סינתטי, המשמש חיישן קוונטי

איך נראה מכשיר דימות מדויק יותר, שמסוגל לעבוד בקנה-מידה קטן במיוחד? ד"ר פינקלר, יודילביץ ושותפיהם פיתחו שיטה שיכולה לאתר את מיקומו המדויק של אלקטרון בודד באמצעות החלת שדה מגנטי וסיבובו של השדה סביב יהלום סינתטי, המשמש חיישן קוונטי. למעשה, זה לא היהלום עצמו הפועל כחיישן, אלא פגם קטנטן בתוכו – בגודל אטום יחיד – הקרוי "מרכז חסר חנקן" (nitrogen-vacancy center). עקב גודלו האטומי של החיישן, הוא מותאם במיוחד להבחנה בשינויים המתרחשים בקרבתו, ועקב טבעו הקוונטי הוא יכול להבדיל בין אלקטרון בודד לצבר אלקטרונים. בשל תכונותיו אלה הוא מתאים במיוחד למדידת מיקומו במרחב של אלקטרון בודד ברמת דיוק יוצאת מגדר הרגיל, אשר מספקת לנו הצצה חטופה לטכנולוגיות הדימות של העתיד.

"אפשר יהיה להשתמש בשיטה החדשה שפיתחנו", אומר ד"ר פינקלר, "כדי לספק לרופאים ולמדענים נקודת מבט נוספת ומשלימה – לשיטות הדימות הקיימות". פיתוח כלי כזה עשוי לאפשר למדענים לחקור מקרוב את המבנה של מולקולות חשובות, וכך לסלול את הדרך לתגליות חדשות. המדענים חוזים עתיד שבו נוכל להשתמש בשיטה החדשה לדימות של מגוון מולקולות רחב, אשר, בתקווה, יחשפו נדבכים נוספים מהשילוש המולקולרי הקדוש: המבנה, התפקיד ויחסי הגומלין.

רב-תחומי

ד"ר עמית פינקלר הגיע לראשונה למכון ויצמן למדע כבוגר תואר ראשון. הוא השלים במכון את התואר השני והשלישי במעבדתו של פרופ‘ אלי זלדוב, בפקולטה לפיסיקה, לפני שנסע לאוניברסיטת שטוטגרט – שם ביצע את מחקרו הבתר-דוקטוריאלי. לפני חמש שנים חזר לרחובות והקים מעבדה משלו – בפקולטה לכימיה.

"אני פיסיקאי", אומר ד"ר פינקלר, ”אבל העבודה בפקולטה לכימיה יוצרת הזדמנויות ייחודיות עבור המחקר שאנחנו מבצעים במעבדה שלי. יש אצלנו פיסיקאים, אבל יש גם כימאים ומהנדסים. זה שילוב מעניין, והאפשרות לשלב בין שיטות מחקר ודיסציפלינות שונות היא הכרחית לסוג המדע שבו אני מתעניין. אני אוהב לכוון עדשות, נהנה מכוויות קריוגניות, וכעת אני בוזק מולקולות מהונדסות על היהלומים שלנו".

הפוסט מדעני מכון ויצמן מציגים שיטה חדשה לדימות אלקטרון בודד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

טכנולוגיה שיכולה לשנות את תחום ייצור השבבים, לאפשר להתגבר על שטיחות פרוסת הסיליקון ואף לייצר שבבים על משטחים לא ישרים, אלא שהיא נמצאת כעשור על המדף – היא פותחה על ידי מהנדס בכיר לשעבר במפעל אינטל בקרית גת, בזמן ששימש עמית מחקר במכון ויצמן אליו הגיע לאחר פרישתו מאינטל. שמו – ד"ר עמוס בר-דע. כיום הוא ראש תכנית תואר ראשון בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה במכון הטכנולוגי בחולון (HIT).

"חברות ייצור השבבים צריכות חשיבה מחוץ לקופסה – להחליף את הפוטוליתוגרפיה במגנטוליתוגרפיה". אומר ד"ר בר-דע בראיון ל-CHIPORTAL. הבסיס לטכנולוגיה קיים ומגובה בפטנטים אך נדרשת השקעה כדי להפכו ליישומי. יצרניות השבבים ניסו להוציא כמה שיותר מטכנולוגית הליתוגרפיה אבל כשאנחנו מתקרבים לננומטרים בודדים, נראה שעדיף להחליף טכנולוגיה מאשר לסחוט עוד מהטכנולוגיות הקיימות.

ד"ר בר-דע למד את התארים שלו באוניברסיטת בר אילן ובתל אביב, ואת הדוקטורט עשה באוניברסיטה העברית אצל חתן פרס ישראל לכימיה פרופ' איתמר וילנר. בשנים 2000-2007 שימש מהנדס בכיר האחראי על אינטגרציה תהליכית והנדסת אמינות ואיכות במפעל אינטל בקרית גת. לאחר מכן חזר לאקדמיה ושימש עמית מחקר במחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן. משנת 2015 הוא משמש כאמור בתפקידוFראש תכונית לתואר ראשון בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה בפקולטה להנדסה מכון טכנולוגי חולון.

הצורך לשפר את הביצועים ויכולות הייצור של השבבים היה חלק מתפקידו של בר-דע באינטל.  "התפקיד שלי באינטל בקרית גת כמהנדס בכיר בתחום של אינטגרציה תהליכית נמצא מעל כל מהנדסי התהליך.  כידוע תהליך יצירת השבבים בנוי מהרבה תהליכים ומבוסס על כמה תהליכים בסיסיים כמו ליתוגרפיה, איכול, השתלות יונים, דפוסיה ועוד. על כל תהליך כזה מפקחים מהנדסי תהליך שמשפרים את התהליך, מגדילים את נצילות ייצור השבבים ומטרות נוספות. כמהנדס אינטגרציה תפקידי היה לראות את הדברים מלמעלה להכיר את כל התהליכים על בורים ולאשר שינויים שמציעים מהנדסי התהליך.   ובנוסף, במסגרת תפקידי הייתי אחראי להטמעה של תהליכים חדשים בייצור – שדרשו פרספקטיבה רחבה בתהליכי הייצור."

כאשר שימש בר-דע עמית מחקר במחלקה פיזיקה כימית בפקולטה לכימיה במכון ויצמן העלה את  הרעיון להדפסה מולקולרית והדפסה רגילה של שכבות דקות של מוליכים למחצה בשיטה אחרת מהשיטה הקיימת והמקובלת מזה עשרות שנים הפוטוליתוגרפיה."

"כאמור מאז אמצע המאה הקודמת מיוצרים כל השבבים על בסיס שיטת הפוטוליתוגרפיה המשמשת כממשק בין תהליכי התכנון שנעשים במרכזי התכנון למפעלי הייצור. מרכזי התכנון מתכננים את המעגלים המשולבים ואותו מעבירים למסכות. המסכות עוברות למפעלים ובעזרתם יוצרים את הצורות על פני השבבים. המסכה מאפשרת להדפיס המון צורות בבת אחת על פני הפרוסה והיא משמשת כגלופה. דרך המסכה עובר אור אשר מוטל על שכבת ציפוי על פני הסיליקון הנקראת פוטורזיסט שרגישה לאור. הטלת האור דרך המסכה גורמת לשינוי בתכונות הפוטורזיסט במקומות בו הוטל,  ולאחר תהליך הפיתוח מקבלים את הטבעת הצורות במסכה על פני הפוטורזיסט.

"התהליך של הפוטוליתוגרפיה מאפשר לבחור אזורים מסוימים שיהיו מוגנים ואחרים שלא יהיו מוגנים מפני התהליך הייצור העוקב. הפעלת תהליכי ייצור כמו איכול, יצירת שכבות חדשות ועוד יתבצעו על האזורים החשופים ולא על האזורים המוגנים על ידי הפוטורזיסט".

היכן החדשנות שלכם?

"הבנו שלשיטת הפוטוליתוגרפיה (בווריאציות הרבות שלה) יש כמה חסרונות. החיסרון העיקרי הוא רגישות למשטחיות , כלומר לכך שפני השטח יהיו משטחיים. אם  הפרוסה מכילה אזורים שבהם יש מהמורות או שקעים או כל הפרעה אחרת ברמה הננומטרית חוסר המישוריות של פני השטח גורם לעיוות האור ולפגמים בהטבעת המסכה בשבב."

"אנחנו מחליפים את הגל האלקטרומגנטי בשדה מגנטי ואת המסכה למסכה מגנטית שהצורות בה עשויות מחומר פרומגנטי כגון ברזל, ניקל וקובלט. אנחנו משתמשים במגנט שנמצא מתחת למסכה כאשר השדות המגנטים מתרכזים דרך החומר הפרומגנטי שבמסכה ומוטלים על פני שטח המודפס מלמטה. במקום הפוטורזיסט שבו משתמשים בפוטוליתוגרפיה, אנחנו משתמשים בננו חלקיקים מגנטיים העשויים ממגנטיט – סוג של ברזל מחומצן."

"שיטת המגנטוליתוגרפיה פותחת אפשרויות רבות. הראשונה לייצר את השבבים כמו היום על גבי משטחים, אלא שתפוקת הייצור בהם תהיה הרבה יותר גדולה כי המערכת מסוגלת להתגבר על פגמים ברמה הננומטרית."

"אפשרות שניה היא להדפיס מוליכים למחצה על משטחים לא מישוריים. למשל הדגמנו הדפסה כזו בתוך צינוריות ננומטריות. אפליקציה נוספת היא הדפס מולקולרי, כמו כן יצירת גרדיינט מולקולארי המאפשר יצירת גרדיאנט של תכונות, כגון: יצירת גרדיאנט הידרופילי – הידרופובי כך ש כשבצד אחד של המשטח יהיה אזור מאוד הידרופילי ובשני מאוד הידרופובי, ובאמצע ישתנה בהדרגה. רעיון נוסף הוא שימוש במסכות דינמיות." (ראו דוגמאות בתרשימים המצורפים).

מה קורה עם מסחור הפטנטים?

"רשמנו פטנטים וכמה חברות התעניינו. עדיין נדרש גורם בתעשייה שיהפוך את השיטה לתעשייתית, יציבה וניתנת לשימוש בקנה מידה גדול."

לסיכום אומר ד"ר בר-דע: "היות ותהליך הליתוגרפיה מיצה את עצמו ואנחנו מגיעים למגבלה של התהליך הליתוגרפי בגלל הצורך באורכי גל מאוד קצרים אני מציע לצאת מהקופסה ולעשות מהפכה חשיבתית מכיוון של TOP DOWN ל-BOTTOM UP  ולחקור שיטות חדשות להדפסים לייצור דור הבא של השבבים".

הפוסט ד"ר עמוס בר דעה במיוחד ל- Chiportal: חברות השבבים צריכות חשיבה מחוץ לקופסה – להחליף את הפוטוליתוגרפיה במגנטוליתוגרפיה" הופיע לראשונה ב-Chiportal.

גם מעריצים מושבעים של סרטים בשחור-לבן אינם יכולים להתכחש לכך שכניסת הצילום בצבע הזריקה חיים חדשים לאמנות הקולנוע. וככל שמדובר בתיעוד המתרחש בגופנו, לצבע אין תחליף. לו ניתן היה, למשל, לסמן בצבעים את ביטוי הגנים בתאי הגוף, היו נפרסים לנגד עינינו תהליכים ביולוגיים חיוניים שכיום נסתרים מן העין. מהפכת הפלואורסנציה מאפשרת אמנם להאיר, במלוא מובן המלה, את הפעילות המתרחשת בתאים, אך היא אינה מאפשרת לצפות בתהליכים המתרחשים במעמקי הגוף, שכן הרקמות שבדרך מעמעמות את זוהרם של החלבונים הפלואורסצנטיים. במחקר חדש המתפרסם היום בכתב-העת המדעי Nature Biotechnology, הצליחו מדעני מכון ויצמן למדע לחדור מבעד לרקמות בדרך עוקפת: הם "הזריקו" חיים חדשים לסריקות האפרפרות של דימות תהודה מגנטית (MRI) ועקבו בצבעים אחר הביטוי של שני ״גנים מדווחים״ (reporter genes) שונים במקביל. "בעתיד ייתכן שסריקות MRI יוכלו להחליף בדיקות פולשניות או הוצאת דגימות מהגוף לבחינה תחת המיקרוסקופ", משרטט ראש צוות המחקר, ד"ר אמנון בר-שיר, את האופק שנפתח הודות לתגלית החדשה.   

כאשר הוענק פרס נובל לכימיה לשנת 2008 על פיתוח החלבונים הפלואורסצנטיים, הודה אחד הזוכים, רוג'ר טסיין המנוח, כי לשיטה יש מגבלות, וכי בעתיד אפשר יהיה אולי להתגבר עליהן בעזרת טכנולוגיות אחרות כגון MRI. החזון שהתווה טסיין מבוסס על כך שבשונה מגלי האור, גלי הרדיו שעליהם מבוססת שיטת ה-MRI, אינם נחסמים על-ידי רקמות הגוף, גם כאשר מדובר ברקמות עבות במיוחד. עם זאת, סריקות ה-MRI המוכרות לנו כיום – בשחור-לבן – מותאמות בעיקר לדימות של אלמנטים מבניים, ואלה המתקדמות, המאפשרות קידוד בצבע, לא הותאמו למיפוי של פעילות הגנים בתאים. גם כאשר התאימו בעבר את ה-MRI למעקב אחר ביטוי גנטי, ניתן היה לעקוב אחר גן אחד בלבד בכל זמן נתון – כי פעילותו סומנה באמצעות נקודה כהה על רקע שחור-לבן. לפיכך, היכולת לעקוב אחר מספר גנים המתבטאים בו-זמנית – רצוי בעזרת צבעים שונים, כמו בתיוג פלואורסצנטי – עשויה להוות קפיצת מדרגה משמעותית בתחום הדימות.

בקבוצתו של ד"ר בר-שיר במחלקה לכימיה מולקולרית ומדע חומרים החליטו להרים את הכפפה שזרק טסיין. צוות המחקר בהובלת מדענית הסגל ד"ר הילה אלוש-ארנון, ובשיתוף פעולה עם פרופ' שראל פליישמן וד"ר אולגה חרסונסקי מהמחלקה למדעים ביומולקולריים, פיתח שיטה בת שני שלבים: בשלב הראשון יצרו החוקרים שתי קבוצות של תאים מהונדסים גנטית, כאשר כל קבוצה נועדה לבטא אחד משני חלבונים ייעודיים. במקביל, הם יצרו שני סוגים של גלאים מולקולריים שנועדו לנוע במחזור הדם ולהצטבר אך ורק באותם תאים שביטאו את החלבונים המהונדסים. הגלאים תוכננו כך שיפעלו בתדרים נפרדים ויגרמו להופעת צבעים שונים בסריקות MRI.

לאחר השלמת ההכנות, יישמו החוקרים את השיטה בעכברי מעבדה שהוכנסו לאחד ממכשירי ה-MRI העוצמתיים ביותר הפועלים בעולם כיום. שני הצבעים הזוהרים לא איחרו להופיע: הסריקות שהתקבלו חשפו במדויק את מיקומם של התאים אשר מבטאים את שני החלבונים המהונדסים במוחות העכברים. בכך הדגימו החוקרים את היתכנות המעקב אחר ביטוי גנים שונים במעמקי המוח והגוף באמצעות MRI. מחקרי המשך ישאפו לפתח את השיטה למיפוי מספר רב יותר של גנים בו-זמנית.

שיטת דימות חדשה זו סוללת את הדרך לשימוש ב-MRI כדי לעקוב אחר מגוון רחב של תהליכים ביולוגיים בגוף החי לצורכי מחקר – ובעתיד אף לצרכים רפואיים. כך למשל שיטה זו עשויה לאפשר לחוקרים לעקוב אחר האופן שבו אזור מוחי אחד משפיע על משנהו. אם וכאשר תותאם השיטה לשימוש בבני-אדם, היא עשויה אף לאפשר לחוקרים ולרופאים להחליף בדיקות והליכים פולשניים. כך למשל, אפשר יהיה לנטר טיפולים חדשניים בסרטן הכוללים הזרקת תאים ולעקוב במקביל אחר התאים המוזרקים ואחר תאי הגידול.

במחקר השתתפו גם נישנט טירוקוטי, תלמיד מחקר במעבדתו של ד"ר בר-שיר; ד"ר יואב פלג, ד"ר אורלי דים, ד"ר שירה אלבק, ד"ר אלכסנדר ברנדיס וטבי מלמן מהמחלקה לתשתיות מחקר מדעי החיים; ד"ר ליאת אברם וד"ר טליה הריס מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי; וד"ר נירבהיי ידב מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס.

הפוסט מבעד לרקמות: החיים החדשים של סריקות ה-MRI הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אלביט מערכות (נאסד"ק ותל אביב: ESLT) הודיעה היום (ד') כי זכתה בחוזה בשווי של כ-16 מיליון דולר לאספקת טלסקופ חלל למכון ויצמן במסגרת תוכנית הלוויין האולטרה סגול לחקר אירועים חולפים בחלל (ULTRASAT) לצפייה ומחקר בחלל העמוק. תכנית ULTRASAT מנוהלת וממומנת במשותף על ידי מכון ויצמן וסוכנות החלל הישראלית ומתבצעת בשיתוף עם מרכז המחקר הגרמני DESY. החוזה יבוצע על פני תקופה של שנתיים.

אלביט מערכות תפתח, תייצר ותשתלב בתחום ראייה רחב ורגיש ביותר (200 מעלות רבועות) טלסקופ חלל בתחום תדרי האולטרה סגול שנועד לסייע למדענים להבין כיצד נוצרו יסודות כבדים, חורים שחורים וגלי כבידה ולגלות תופעות אסטרונומיות כגון סופרנובות (פיצוצי כוכבים). אלביט מערכות כבר בנתה וסיפקה מצלמות חלל, לוויינים ומכשירים אלקטרוניים אחרים לתוכניות חלל בישראל, ארה"ב, אירופה, דרום קוריאה וברזיל.

ULTRASAT,  המתוכנן לעשות יותר בפחות, הוא לוויין זול וקטן יחסית. לדברי יוצריו, ULTRASAT יסייע למצפי כוכבים קרקעיים לבצע את עבודתם בצורה טובה יותר באמצעות לכידת נתוני אירועים חולפים על פני שדה ראייה רחב במידה חסרת תקדים ושידור דוחות על "אירועים מתקרבים", אשר יסייעו לאסטרונומים למקד את הטלסקופים לכיוון ההתרחשות, אומר ד"ר אבישי גל-ים משותפי הפרויקט לאתר מכון ויצמן.

"בכל רחבי העולם נמצאים מצפי כוכבים קרקעיים הסורקים את שמי הלילה ומנסים ללכוד אותות הקשורים לאירועים קצרים וחולפים, דוגמת ההתפוצצויות הנלוות להתנגשויות של כוכבים קומפקטיים, המובילות גם לפליטה של גלי כבידה", אומר פרופ' אלי וקסמן, החוקר הראשי של הפרויקט, "אולם אם אין מכוונים את העדשה לכיוון הנכון – מה שסביר שיקרה, כי איננו יודעים מתי והיכן כוכבים עומדים להתנגש – מחמיצים את האירוע כולו. הגישה שלנו שונה: לאחר שישוגר, ULTRASAT יצפה באירועים שאיננו יודעים עליהם מראש ויתעד אותם, ולאחר מכן יתריע עליהם בפני מצפי הכוכבים שעל הקרקע באופן מיידי כמעט, כך שצוותים מדעיים בכל רחבי עולם יוכלו להתמקד באירועים ולעקוב אחריהם בעת התרחשותם".

אורן סבג, מנכ"ל אלביט מערכות ISTAR ו-EW, מסר: "אנו גאים לקחת חלק במאמץ המדעי הזה, תוך מתן היכולות והניסיון שלנו למאמץ להבין טוב יותר את הטבע. אנו שמחים על ההזדמנות לשתף פעולה עם סוכנות החלל הישראלית ועם הקהילה המדעית בהובלת מכון ויצמן ומרכז המחקר הגרמני DESY".

הפוסט אלביט בונה טלסקופ חלל ללוויין אולטרהסאט של מכון ויצמן בשווי 16 מיליון דולר הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מערכות הניווט שבהן כולנו משתמשים באופן יומיומי סובלות ממגבלה משמעותית: הן תלויות בתקשורת עם רשתות אינטרנט או לוויינים והופכות חסרות ערך כאשר היא משובשת – בגלל תקלה, חבלה, או מגבלה טבעית, כמו למשל במעמקי הים. פתרון לאתגר החיוני הזה עשוי לצמוח בעזרת טכנולוגיות לניווט עצמאי המצויות בפיתוח ברחבי עולם, וצפויות לאפשר לנו לדעת היכן בדיוק אנחנו נמצאים בכל רגע, ללא צורך בתקשורת סלולר או GPS.

עובדה מפתיעה היא כי ה"ווייז המושלם" הזה מסתמך על מדידה התאוצה של אטומים, שאותה ניתן לבצע באמצעות אינטרפרומטרים של אטומים קרים (Cold Atoms Interferometers) – מכשירי מדידה חזקים ושימושיים, שמהווים מצע לשורה ארוכה של יישומים מדעיים ותעשייתיים. מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף פעולה עם המרכז לטכנולוגיות קוונטים ברפאל, תורמים יכולות עוצמתיות חדשות לתחום מחקר זה, על־ידי שכלול כלי המדידה המבוססים על אטומים קרים.

במחקר חדש בהובלת חן אבינדב וד"ר דימיטרי ינקלב מקבוצות המחקר של פרופ' ניר דודזון וד״ר עופר פירסטנברג במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, הציגו החוקרים הגדלה משמעותית ביותר – פי אלף – של טווח הערכים שניתנים למדידה בעזרת אינטרפרומטרים, מבלי לפגום ברגישות ובדיוק של המדידה.

אינטרפרומטרים, כלומר מדי התאבכות של גלים, פועלים לרוב על גלי אור: מערכת של מראות גורמת לפוטון להתפצל לשני מסלולים – כלומר להיות בו־זמנית בשני מקומות שונים (סופרפוזיציה) – ולאחר מכן להתחבר מחדש בתהליך המכונה התאבכות. האינטרפרומטר שבו נעשה שימוש במחקר הנוכחי פועל דווקא על אטומים, כלומר גלי חומר, שגם הם יכולים להתפצל לשני חלקים לפי מכניקת הקוונטים. בעזרת החיישן האינטרפרומטרי, נחשף מידע רב־ערך על תאוצת האטומים ועל גודלו המדויק של כוח הכבידה בזמן ובמקום שבהם מתבצעת המדידה. זו אחת הדרכים המדויקות ביותר שישנן למדידת כבידה – כוח שלרוב מדידתו קשה במיוחד מפאת החולשה שלו ביחס לכוחות חשמליים ומגנטיים.

כדי לבצע את המדידה נדרש עוד מאמץ נוסף – לעצור כמעט לחלוטין את התנועה האקראית של האטומים, על-ידי קירור שלהם לכמה מיקרו (מיליונית) קלווין מעל לאפס המוחלט. הקירור העמוק נעשה כדי לחשוף את התכונות הקוונטיות של האטום, שאינן נגישות באובייקטים חמים יותר. לשם כך משתמשים בתא ואקום, שבתוכו מלכודת מגנטו-אופטית. אל תא הוואקום מכניסים אטומים של רובידיום, יסוד נוח לעבודה עם קרני לייזר, אשר נעים בתוכו בחופשיות. כשאחד האטומים מגיע במקרה אל המלכודת, קרני הלייזר מקררות אותו, ושדות מגנטיים מונעים ממנו לברוח. מאות מיליוני אטומים נאספים במלכודת בכל שנייה.

אפקט מוארה: שני סריגים עדינים, כמעט זהים, מספקים רגישות מדידה גבוהה – והסריג הגס הנוצר מהחפיפה ביניהם מאפשר להגדיל את הטווח הדינמי. מכון ויצמן
אפקט מוארה: שני סריגים עדינים, כמעט זהים, מספקים רגישות מדידה גבוהה – והסריג הגס הנוצר מהחפיפה ביניהם מאפשר להגדיל את הטווח הדינמי. מכון ויצמן
המדידה באמצעות אינטרפרומטרים של אטומים קרים נאלצת לתמרן בין שתי מגבלות: רגישות המדידה, כלומר היכולת להבחין ברמות שינוי מזעריות בגודל הנמדד; והטווח הדינמי – כלומר תחום הערכים שניתן למדוד. גם בהקשרים יומיומיים, תמיד ישנה פשרה בין טווח דינמי לרגישות המדידה. למשל, מאזני משקל של בני-אדם ימדדו בטווח של עד 150 ק״ג, אבל לא יזהו שינויים מזעריים של גרמים בודדים, שאותם יגלו בקלות מאזני מטבח הפועלים בטווח מדידה קטן בהרבה.

מדעני המכון הצליחו לשכלל את דרך הפעולה של אינטרפרומטר של אטומים קרים ולהתגבר על הצורך בפשרה. הם השיגו זאת על-ידי תוספת מדידות ופענוח המידע הנוסף שהתקבל מהן, תוך נטרול של ה"רעשים" שנוצרים במהלך כזה. במחקר קודם, הצליחו החוקרים לערוך מספר מדידות של האטומים בזו אחר זו, כשכל אחת מהן מתבצעת בקנה מידה מעט שונה (scale factor). השילוב בין המדידות השונות, בעזרת טכניקה המכונה מוארה (Moiré), סיפק מידע חדש שאיפשר להרחיב את טווח המדידה. ואולם בניסוי הקודם, ריבוי המדידות ומשך הזמן שחלף ביניהן הגביל את ישימות השיטה.

החידוש הגדול במחקר הנוכחי הושג בעזרת חלוקת האטומים לשתי קבוצות בכל הפעלה של הניסוי, כך שמתקבלים שני קני מידה בו־זמנית. בהפעלה בודדת בשיטה הזו גדל הטווח של המדידה פי עשרה. החוקרים לא הסתפקו בכך – וחזרו על הפעולה פעמיים או שלוש ברצף, בכל פעם עם קני מידה מעט שונים. כך הגיעו להישג המרשים של הגדלת הטווח הדינמי בסדרי גודל של פי מאה ופי אלף – תוך פגיעה מזערית ברגישות המדידה. במחקרים עתידיים, מדעני המכון מתכננים לנסות ולשכלל עוד יותר את שיטת המדידה, על-ידי שימוש בקני מידה רבים יותר בו-זמנית.

בינתיים, גם היישומים המדעיים והתעשייתיים של אינטרפרומטרים של אטומים קרים מתקדמים במהירות – והופכים את המחקר בתחום לשימושי במיוחד. מכשירים אלה כבר יצאו מהמעבדה, והופעלו במכוניות, במטוסים ועל-גבי ספינות. בעתיד ניתן יהיה להיעזר בהם לניווט עצמאי, למיפוי שדה הכבידה של כדור־הארץ ולחיפוש אחר משאבי טבע.

הפוסט בים, באוויר וביבשה – ניווט אטומי צובר תאוצה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

לא משנה אם אנחנו מרוכזים במסך, מתפעלים מהנוף או סתם בוהים בחלל, העיניים שלנו אינן נחות לרגע. גם כאשר אנחנו איננו מודעים לתזוזותיהן, הן סורקות את הסביבה ללא הרף בתנועות מיקרוסקופיות ובכך מאפשרות את פעולת הראייה. בעבר נהוג היה לחשוב כי בדומה לצילום, גם הראייה היא תהליך חד-כיווני: עדשת העין קולטת הבדלים בעוצמת האור, מעבירה מידע זה לרשתית, ומשם הוא עובר למוח. אך בשנים האחרונות מתגבשת תפיסה של הראייה כתהליך משוב מחזורי המתרחש במעגל סגור: העיניים סורקות את העולם, המוח קולט את המידע החזותי – ובו-בזמן מכוון את תנועותיהן בהתאם למידע זה. מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע מציע חיזוק משמעותי לגישה זו.

המחקר שנערך במעבדתו של פרופ' אהוד אחישר מהמחלקה לנוירוביולוגיה בהובלת תלמידת המחקר לירון גרובר, מבהיר מה מבדיל בין מערכת הראייה האנושית, הפועלת בצורה אינטראקטיבית, כלומר, במעגל סגור, לבין ראייה ממוחשבת המסתמכת על מצלמות. הבדל זה עשוי להסביר מדוע ראיית אדם עדיין עולה על ראייה רובוטית, במיוחד בתנאי ראות לקויים, וכיצד אפשר אולי בעתיד לסגור את הפער ביניהן. יתר על כן, ההבנה כיצד בדיוק מושפעת הראייה שלנו מתנועות העיניים, תאפשר אולי לפתח דרכים להתגבר על בעיות ראייה, למשל, באמצעות פיתוח שיטות אימון המביאות תנועות אלה בחשבון.

גרובר ואחישר בחנו שני סוגים עיקריים של תנועות עיניים: קפיצת עין מהירה הקרויה "סקאדה" (saccade) ופעולת סריקה הקרויה "נדידה" (drift), אשר מגיעה לאחר כל סקאדה, והיא בדרך כלל איטית פי עשרה או יותר ממנה ונמשכת בממוצע בין שלוש לארבע עשיריות השנייה. ידוע כיום כי סקאדות פועלות במעגל סגור – המוח מכוון אותן על סמך הקלט הוויזואלי. לעומת זאת, אל נדידות העין מקובל היה להתייחס כתהליך חד-כיווני במעגל פתוח: לאחר שהסקאדה מכוונת את העין למוקד העניין, הנדידה, כביכול, היא מעין צילום שאינו מושפע ממה שהעין רואה, בדומה למצלמה המתעדת "ללא מחשבה" את מה שמונח לפניה.

מדעני המכון תכננו ניסויים המיועדים לבחון אם אכן כך פועלות נדידות העיניים. משתתפי המחקר נתבקשו להתבונן בצורות גאומטריות שונות שהוצגו על-גבי מסך מחשב בגדלים שונים ובתנאים שונים: באופן רגיל או דרך מנהרה וירטואלית שהסתירה את כל הפרטים מלבד צוהר קטן. המשתתפים לבשו קסדות עם מצלמות אשר תיעדו בדיוק על מה הסתכלו ועקבו אחר תנועות העיניים שלהם – ובפרט אחר המהירויות של נדידות העיניים ומסלוליהן. ההשערה הייתה שאם העין אכן "מצלמת" באופן חד-כיווני, הנדידות אינן אמורות להיות מושפעות לא מתנאי הראייה ולא מהפרטים הנצפים. לעומת זאת, אם נדידות העיניים הן חלק מתהליך אינטראקטיבי במעגל סגור, הן צפויות להשתנות הן בהתאם לקלט החזותי והן עם חלוף הזמן, כאשר העין מסתגלת למשימה.

הניסויים הראו כי בניגוד לדעה הרווחת, נדידות העיניים פועלות באופן מובהק במעגל סגור. כך למשל, הנדידות האטו כאשר העיניים התבוננו בפרטים מורכבים יותר ש"ייצרו" עניין רב יותר עבורן – וגם מסלוליהן השתנו: הן לא נדדו בכיוון אחד, אלא שוטטו יותר סביב האיזור הנצפה. בהדרגה, בתוך כמה עשיריות השנייה, ירדה מהירות הנדידה בממוצע למהירות שהייתה טיפוסית לתנאי הראייה. האיזון בין מהירות הנדידה למסלולה הוכתב על-ידי תנאי הראייה וגודל האובייקט, ככל הנראה באופן שהתאים את המידע הראייתי שנרכש באמצעותם אל המשימה הראייתית. "שום דבר מזה לא היה קורה אם הנדידות היו פועלות באופן חד-כיווני בדומה למצלמה", אומרת גרובר. "למעשה, הממצאים מראים כי לא רק סקאדות, אלא גם נדידות פועלות במעגל סגור ומגיבות ללא הרף לכל דבר שהעין רואה – וזה כבר אומר שמערכת הראייה כולה פועלת בצורה דינמית ואינטראקטיבית".

"המוח לא רק קולט מידע חזותי באופן חד-סטרי אלא, במובן מסוים, הופך לחלק מהמציאות הנצפית", מסביר פרופ' אחישר ומוסיף: "מסקנה זו תורמת את חלקה לדיון פילוסופי: האם הראייה בפרט, והחישה שלנו בכלל, היא תהליך ישיר או עקיף? זאת אומרת, האם אנו חשים את המציאות בצורה מיידית ובלתי אמצעית, או האם נגזר עלינו לראות את העולם תמיד באופן בלתי ישיר באמצעות ייצוגים מתווכים? הממצא שלנו מצביע על כך שהמוח חותר ללא הרף לחישה ישירה ובלתי אמצעית של העולם החיצון".

הפוסט עיניים במעגל סגור הופיע לראשונה ב-Chiportal.