رافي بيستريتزر، الحائز على جائزة وولف في الفيزياء: كنت أعلم أن العمل الذي قمت به مع ماكدونالد كان يثير ضجة كبيرة، لكنني لم أكن أعرف مدى ضجة الأمر

"لقد أنهيت درجة الدكتوراه في معهد وايزمان ثم تابعت مرحلة ما بعد الدكتوراه مع البروفيسور ماكدونالد في أوستن، تكساس. كجزء من البحث، قمنا بنشر عدة مقالات حول الجرافين ثنائي الطبقة المدورة. أحدهم أثر بشكل خاص في مجال تكنولوجيا النانو "

النص تم الإعلان هذا الصباح عن أسماء الفائزين بجائزة وولف للعلوم والفنون لعام 2020 في مشكان رؤساء إسرائيل، بحضور الرئيس رؤوفين (روبي) ريفلين، ووزير التربية والتعليم الحاخام رافي بيرتس، والبروفيسور الحائز على جائزة نوبل. دان شيختمان.
سيتم منح جائزة وولف في الفيزياء هذا العام لثلاثة فائزين: البروفيسور بابلو جاريلو هيريرو، المولود في إسبانيا، والذي يعمل أستاذًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا - (MIT) بالولايات المتحدة الأمريكية، والبروفيسور آلان إتش. ماكدونالد من جامعة تكساس في أوستن - والدكتور رافي بيستريتزر، من شركة أبلايد ماتيريالز - إسرائيل، لعملهما الرائد في نظرية وتجربة الجرافين الملتوي ثنائي الطبقة الذي سيؤدي، من بين أمور أخرى، إلى ثورة هائلة في الطاقة.

جائزة وولف هي الجائزة العلمية المرموقة الموزعة في إسرائيل، وقد فاز العديد من الفائزين بها في مجالات تتداخل مع جائزة نوبل بالجائزة العالمية المرموقة، بما في ذلك البروفيسور دان شيختمان والفائزين بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2019، ميشيل مايور وديديا كولو، مكتشفا أول كوكب خارج المجموعة الشمسية، وحصلا على جائزة وولف لنفس الاكتشاف عام 2017.

في محادثة مع شيبورتال، قال الدكتور بيستريتزر إنه فوجئ. "لقد أنهيت درجة الدكتوراه في معهد وايزمان ثم تابعت مرحلة ما بعد الدكتوراه مع البروفيسور ماكدونالد في أوستن، تكساس. كجزء من البحث، قمنا بنشر عدة مقالات حول الجرافين ثنائي الطبقة المدورة. وردد واحد منهم. لقد تركت المجال بالفعل ولم أشارك في الفيزياء النظرية منذ عقد من الزمن. ومازلت على تواصل مع مشرفي في ذلك الوقت آلان ماكدونالد وأبلغني أن العمل مذكور في العديد من المقالات. وعندما نشرنا العمل الذي شرحنا فيه كيفية إجراء العملية بسهولة أكبر، علمنا أنه سيكون هناك مجربون سيطلبون إجراء مثل هذه التجارب. "إنها جائزة يصعب الحصول عليها، لذا فهي مفاجأة كبيرة." يشرح الدكتور بيستريتزر.

ما أهمية الاكتشاف؟

البروفيسور بيستريتزر: "هناك العديد من المراحل - حالات المادة التي من المعروف أنها موجودة تجريبياً ولكن لا يمكن تفسيرها. لقد تمت تجربة ذلك منذ عقود، لكن التجارب التي يتعين على الحيوان القيام بها لتسجيلها معقدة، على سبيل المثال النحاسات الموجودة على موصلات ذات درجة حرارة عالية - موصلات بدون اندماج. هناك العديد من النظريات التي تحاول تفسير ذلك، وقد تحسن الفهم بشكل كبير، ولكن لا يوجد فهم كامل لسلوك المادة. إن التجارب على هذه المادة صعبة للغاية، وهو ما يتيحه هذا النظام بعملية بسيطة مشابهة لتلك التي تقوم بها بوابة بوابة في الترانزستور لتغيير جهد الجرافين المدور وإتاحة التبديل بين حالة معزولة وحالة على موصل."

"من السهل الآن فحص النظام ومحاولة فهم سبب وجود هذه المادة على الموصل. هناك خيالات حول أشياء يمكن القيام بها لو تم استخدامها في تبديل الترانزستورات، لكن رؤية أخرى لوقت آخر. ولكن الآن تتيح هذه الطريقة للعلماء في العالم التحقق من الموصلية والعزل بطريقة محكمة وسهلة نسبيًا.
"هذه ظاهرة فيزيائية مثيرة للاهتمام للغاية. ولا تُمنح الجائزة لهذه الظاهرة وحدها، بل بسبب الإمكانية الكامنة فيها لتعلم فيزياء جديدة.
كيف وصلت إلى التطبيقية وما هو دورك في الشركة؟

"بعد عودتي إلى إسرائيل، بحثت عن منصب في الأكاديمية لكن الأمر لم ينجح. أرادت شركة ماكدونالدز أن أبقى في الولايات المتحدة لكنني لم أرغب في ذلك. ثم انتقلت إلى الصناعة. الحقيقة هي أننا نقوم بأشياء مثيرة للاهتمام ونحاول حل المشكلات التي لا يستطيع أحد في العالم حلها. ولدي مجموعة ممتازة من الأشخاص الممتازين."

"في Applied، أدير مجموعة من الخوارزميات وأتعامل مع تطوير الماسح الضوئي الإلكتروني. لا أستطيع أن أقول الكثير، فقط أقول إننا نطور خوارزميات تتعلق بالكشف والقياس ونستخدم أساليب الرؤية الاصطناعية والتعلم الآلي.
في صناعة الرقائق، زاد تحدي المجاهر الإلكترونية بشكل كبير لأن كل شيء أصبح أصغر ومع الوسائل البصرية من المستحيل اكتشاف كل شيء، وهناك بالفعل تحدي كبير في الأشياء التي يمكن القيام بها باستخدام المجهر الإلكتروني للتقدم في مجال صناعة الرقائق. الصناعة في عقد الإنتاج المتقدمة."

أسباب لجنة الجائزة

وفي عام 2004، تم عزل طبقة ثنائية الأبعاد يبلغ سمكها ذرة كربون واحدة تسمى "الجرافين" لأول مرة. ومنذ ذلك الحين، تزايد الاهتمام بمثل هذه الطبقات والمواد ثنائية الأبعاد، ويشكل الجرافين الأساس لجيل جديد تمامًا من المواد والتقنيات. الأمل هو أن التطبيقات المعتمدة على الجرافين ستفيد البيئة وتخفض التكاليف.

في صناعة الإلكترونيات والكمبيوتر، هناك حاجة إلى مواد يمكن التحكم في موصليتها. أظهرت الدراسات الرائدة التي أجراها الباحثون جاريلو هيريرو وماكدونالد وبيستريتزر أنه يمكن التحكم في خصائص توصيل وصلات الجرافين من خلال الزاوية المكانية بين طبقات الجرافين وأنه في زوايا معينة يوجد سلوك فيزيائي مفاجئ للإلكترونات. في عام 2011، قام فريق آلان ماكدونالد، عالم الفيزياء النظرية من جامعة تكساس، بدراسة سلوك مثير للاهتمام لصفائح الجرافين الملتوية المكونة من طبقتين والموضعة فوق بعضها البعض، أي في موقف توجد فيه زاوية صغيرة معينة بين اللوحات. ووفقا لحسابات ماكدونالد وبيستريتزر (الذين عملا كطالب ما بعد الدكتوراه مع ماكدونالد في ذلك الوقت)، فإن سرعة النفق للإلكترونات بين الطبقات تعتمد على زاوية الدوران بينها وتختفي تماما عند "زاوية سحرية" قدرها 1.1 درجة. وكان الأمل أن يؤدي ذلك إلى خلق مادة جديدة فائقة التوصيل، أي مادة تسمح بمرور التيار الكهربائي دون مقاومة على الإطلاق ودون فقدان للطاقة.

المقال الأصلي الذي كتبه ماكدونالد وبيستريتزر، والذي وصف اكتشافهما، لم يلق استجابة متعاطفة في العالم العلمي، بل تم نسيانه لعدة سنوات. في ذلك الوقت، كان البروفيسور جريلو هراري يعمل على الجرافين الملتوي ثنائي الطبقة في مختبره بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. لقد أصبح مقتنعًا بأن أفكار ماكدونالد وبيستريتزر لها ميزة، وقد بذلت مجموعته البحثية الكثير من الجهد في إنشاء وقياس طبقة الجرافين ثنائية الطبقة الملتوية بزوايا مختلفة.
أتت التجارب ثمارها عندما وجد أن وضع الطبقات بزاوية 1.1 درجة بالنسبة لبعضها البعض، وهي زاوية تعرف باسم "الزاوية السحرية"، يؤدي إلى خصائص كهربائية غير عادية، تمامًا كما اقترح ماكدونالد وبيستريتزر. في هذه الحالة، عند درجات حرارة منخفضة للغاية، تنتقل الإلكترونات من طبقة إلى أخرى بكفاءة عالية وتخلق شبكة ذات خصائص غير عادية. نُشرت هذه النتائج في مقال عام 2018، والذي كان بمثابة ثورة حقيقية في مجال الفيزياء، وتسبب في طوفان من الأعمال الإضافية في مجال الجرافين ثنائي الطبقة. معهد بابلو جاريلو هيريرو ماساتشوستس للتكنولوجيا جامعة آلان ماكدونالد في تكساس، أوستن الاكتشاف الجديد يجعل من الممكن بناء موصل فائق من الجرافين ثنائي الطبقة حيث يتم التحكم في حركة الإلكترونات بالكامل بواسطة جهد كهربائي خارجي. إن مثل هذا السلوك الكهربائي يذكرنا بسلوك عائلة من المواد فائقة التوصيل القائمة على النحاس والتي تسمى النحاسيات. تظهر النحاسات توصيلًا كهربائيًا دون مقاومة عند درجات حرارة عالية للغاية مقارنة بالموصلات الفائقة الأخرى. ونتيجة لذلك، أصبحت النحاسات مصدر أمل كبير لتحقيق حلم توصيل الكهرباء دون فقدان الطاقة في درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة.
وإذا تحقق الهدف فستكون ثورة طاقة هائلة. ومع ذلك، فإن إحدى العوائق التي تحول دون حدوث مثل هذه الثورة هي أننا لا نملك حاليا نظرية تشرح سلوك الموصلات الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة، وفي غياب أساس نظري متين فمن الصعب تطوير مواد جديدة وأفضل. وهذا هو أحد أسباب الإثارة الكبيرة المحيطة باكتشاف طبقة الجرافين الثنائية والزاوية السحرية بين الطبقات، وهو اكتشاف يسمح بفهم أفضل لما يحدث على المستوى المجهري أثناء الانتقال من حالة الموصل إلى حالة الموصل. حالة الموصل الفائق.