عندما "تشعر" الإلكترونات بوجود بعضها البعض، تحدث ظواهر فيزيائية رائعة
تقول الدكتورة كارين ميكايلي، التي انضمت مؤخرًا إلى قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم: "في الواقع، لم أكن أعلم أنني أرغب في العمل في مجال الفيزياء - حتى بدأت دراسة هذا المجال". حدثت هذه الرؤية أثناء دراستها للحصول على درجتي البكالوريوس والماجستير في الفيزياء وعلوم الكمبيوتر في جامعة تل أبيب. وتقول: "أعتقد أن هناك طرقًا أسهل لكسب العيش، لكن لا شيء منها بهذه المتعة".
أكملت الدكتورة ميخائيلي دراسة الدكتوراه في مجموعة البروفيسور ألكسندر فينكلشتاين في معهد وايزمان للعلوم. حصلت بعد ذلك على "منحة بابالاردو" لأبحاث ما بعد الدكتوراه، وهو ما قامت به في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) - مما سمح لها بإجراء بحث مستقل بالتعاون مع عدد من علماء الفيزياء البارزين في هذا المجال. بالإضافة إلى ذلك، حصلت على منحة دراسية نيابة عن البرنامج الوطني لتقدم المرأة في العلوم الذي يمنحه معهد وايزمان للعلوم، بهدف مساعدة العالمات الشابات على السفر إلى الخارج لإجراء أبحاث ما بعد الدكتوراه.
بصفته عالم فيزياء نظرية، يركز الدكتور ميكايلي على فهم التنوع الغني للخصائص الكهربائية التي تميز المادة الصلبة. في معظم أشباه الموصلات والمعادن، "لا تشعر" الإلكترونات الفردية بوجود إلكترونات أخرى، ولكن عندما تتمكن الإلكترونات من استشعار وجود إلكترونات أخرى، تحدث ظواهر رائعة. يهتم الدكتور ميكايلي بالمواد التي تؤدي فيها القوى الكهربائية المؤثرة بين الإلكترونات إلى "سلوك جماعي" معقد. مثل هذه الظاهرة قد تحول المادة إلى مغناطيس، وموصل فائق، وحتى إلى أنواع فريدة ونادرة من المواد. والطريق إلى اكتشاف خواصها يجمع بين الفيزياء النظرية والتجريبية؛ وإمكانية فحص الرؤى الأساسية في المختبر، وحتى استخلاص التطبيقات التكنولوجية المفيدة منها، تثير اهتمام الدكتور ميكائيلي بشكل خاص. وتقول: "إن فهم التنوع الرائع للظواهر الفيزيائية سيكون قادرًا في المستقبل على دفع المجال نحو أحد الأهداف النهائية لعلم المواد - إنتاج المواد حسب الطلب".
إن مجموعة المواد التي تثير فضولها تبشر بتطوير أنواع جديدة من الإلكترونيات: هياكل متعددة الطبقات من العوازل المشبعة بالأكسجين. مثل أشباه الموصلات، يمكن التحكم في مثل هذه الأنظمة بدقة في المختبر، لكن لديها خاصية مهمة أخرى: القوى المؤثرة بين إلكتروناتها قوية للغاية. والنتيجة المدهشة لهذه الخاصية هي وجود ظاهرتين، عادة ما تتعارضان، في نفس الوقت: الموصلية الفائقة والمغناطيسية. ومؤخرًا، تمكن الدكتور ميكايلي من تطوير نموذج يحل هذا اللغز، لكن العديد من الأسئلة الأخرى لا تزال تنتظر الإجابة. يقول الدكتور ميكايلي: «إن قدرتنا اليوم على فهم مثل هذه المواد يمكن مقارنتها بالمستوى الذي فهمنا فيه أشباه الموصلات في السبعينيات». "لا يزال أمامنا الكثير من العمل."
الموضوع الآخر الذي يشغل بال الدكتور ميكايلي يتعلق بأداة بحث قوية، تُستخدم لتحليل التفاعلات بين الإلكترونات. يتم البحث في هذا المجال عن طريق اختبار التيار الكهربائي الذي ينشأ عندما تحدث اختلافات في درجات الحرارة بين طرفي المادة. يقول الدكتور ميكايلي: «إن ملاحظة تحول الطاقة الحرارية إلى كهرباء تشكل نوعًا من «العدسة المكبرة»، التي تتيح للعلماء فهم العلاقات المتبادلة بين الإلكترونات، وبالتالي، في النهاية، صياغة القوانين الفيزيائية. الكامنة وراء سلوكهم." وذلك لأن القوى المؤثرة بين الإلكترونات قد تعيد توزيع الطاقة، حتى في الحالة التي لا تستطيع فيها الإلكترونات نفسها التحرك.
في عملها المبكر، طورت الدكتورة ميكايلي طريقة للتنبؤ بشكل فعال بنتائج تجارب من هذا النوع، حيث يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى تيار كهربائي، في العديد من أنواع الأنظمة. نجحت الطريقة التي طورها في تحديد ميل النظام نحو الموصلية الفائقة حتى عندما تكون القوى أضعف من أن تؤدي إلى مثل هذا الموقف عمليًا، ولا يمكن تمييزها بمساعدة وسائل القياس الأخرى. وتخطط في المستقبل لمواصلة التحقيق في دور نقل الطاقة في أنظمة مختلفة من العوازل، وكذلك دراسة إمكانية استخراج المعلومات الأساسية حول خصائص هذه الأنظمة من خلال أنواع إضافية من القياسات.
على الرغم من أن بحثها يتم إجراؤه عادةً خلال المناقشات النظرية أمام السبورة البيضاء أو الكمبيوتر، إلا أن الدكتورة ميكايلي تستمد الكثير من المحادثات غير الرسمية مع علماء الفيزياء التجريبية. "في بعض الأحيان، حتى المحادثة القصيرة تمنحني زاوية جديدة للعمل عليها، أو سؤالًا جديدًا يحتاج إلى إجابة. وفي حالات أخرى، أنا الشخص الذي يمكنه المساهمة بإلقاء نظرة أخرى على النظام التجريبي."
