“הצלחנו לשבור את הקיבעון המחשבתי”

ראיון עם פרופסור-מחקר מוטי שגב, הפקולטה לפיזיקה “גילוי תופעה חדשה, בלתי צפויה או נוגדת-אינטואיציה - אלה הרגעים שמניעים אותי.” אומר פרופסור שגב 

בתום השיחה עם פרופסור-מחקר מוטי שגב אין שום ספק שמדובר בחוקר שאוהב נסיונות חדשים - לא רק הרים וקרחונים כמו זה הנראה בתמונה, אלא גם רעיונות וניסויים חדשים במדע. שגב, אחד מחמשת הפרופסורים הבכירים (Distinguished Professors) בטכניון, נטל פסק זמן קצר מתחביביו ההרפתקניים (וממחקריו בטכניון) כדי לשאת את הרצאת הפתיחה בכנס החשוב ביותר בנושא לייזרים ואלקטרו-אופטיקה, שהתקיים בתחילת מאי בבולטימור. שגב, שזכה בפרסים רבים, ביניהם הפרס היוקרתי באלקטרוניקה קוואנטית (הפרס האירופי החשוב ביותר בכל תחום האופטיקה והלייזרים), ופרס מקס בורן היוקרתי שמעניקה האגודה האמריקאית לאופטיקה (OSA), שוחח איתנו על תחומי העניין הנרחבים שלו ועל הישגיו, ותרם כמה עצות לחוקרים צעירים ולסטודנטים הנכנסים לתחום זה.

מהו רגע השיא בקריירה שלך?
השיא היה בעיר ויקטוריה בקנדה, בשנת 1988, בסוף הכנס של OSA בנושא של גלים לא-ליניארים, כאשר היה ברור שהעבודה שלי בתחום הסוליטונים עוררה הדים. בתחילת הדרך זכו הרעיונות שלי בכיוון זה למתקפות רבות. פורסמו מאמרים הטוענים שסוליטונים כאלה אינם יכולים להתקיים. אחרים טענו כי הסוליטונים האלה אינם יציבים ולא ניתן לצפות בהם בניסוי.
במשך זמן רב אנשים פשוט לא האמינו, למרות העובדה שפרסמנו מספר מאמרים תיאורטיים ונסיוניים בכתבי עת מובילים. אנשים נוטים לקיבעון מחשבתי ולהליכה בתלם. קשה מאד לשנות אופני מחשבה, בעיקר כאשר אתה מותקף על ידי מדענים בכירים מאוד. אבל כמה חברים טובים תמכו בי כל הדרך: אמנון יריב מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, סטיב האריס מאוניברסיטת סטנפורד, סטיב פורסט ופול פרוסנל מפרינסטון, ובכמה רגעים קריטיים גם חתן פרס נובל ניקולאס בלומברגן. כמו כן זכיתי לשלושה חברים טובים מאוד שהלכו איתי בדרך הקשה הזאת: ברונו קרוסיניאני (Crosignani), גרג סלמו ודמיטרי כריסטודולידס. אני מאמין שיחד חוללנו מהפיכה בחקר הסוליטונים. אז אם נחזור לכנס ההוא בויקטוריה בשנת 1998, כשעשרות קבוצות המשיכו את המחקר שלנו, הבנו שניצחנו: הצלחנו לשבור את הקיבעון המחשבתי של קהילה גדולה במדע.

מהם בעצם הסוליטונים?
סוליטונים הם “חבילות גלים” הלכודות בתוך עצמן וכך שומרות על תצורה קבועה. הסוליטון הבודד מתנהג, גם ביחסיו עם סוליטונים אחרים, כאילו היה חלקיק. סוליטונים יכולים למשוך או לדחות זה את זה, כמו שני גופים טעונים, וכן להילכד במסלול ספיראלי זה סביב זה.
הסוליטונים מופיעים במגוון מערכות, מנוזלים ועד לפלזמה, גלים אקוסטיים על מולקולות DNA, גלי קול בנוזלי-על, עירורים אלמנטריים בתורת המיתרים, ותופעות גרביטציוניות בחורים שחורים. סוליטונים נמצאים בהרבה מקומות ובהרבה תחומים. במהלך 20 השנים האחרונות, סוליטונים אופטיים - אלומות אור המתנהגות כאילו היו חלקיקים - הפכו לכיוון המחקר המוביל בכל מדע הסוליטונים והגלים הלא-לינאריים.
במידה רבה בעקבות התגליות שלך.
אכן, אני חוקר את הסוליטונים האופטיים מאז 1991, ובמהלך השנים רשמנו תגליות מפתיעות רבות. החשובה ביניהם, נדמה לי, היא גילוי הסוליטונים הלא-קוהרנטיים: סוליטונים שעשויים מאור לבן שמקורו בנורת ליבון. תארו לעצמכם נורה פשוטה, שאנחנו ממקדים חלק מהאור שלה לקרן שרוחבה 10 מיקרון (קרן דקה פי 10 משערה), ומכוונים אותה לתוך תווך לא ליניארי. התוצאה: הקרן נשארת ממוקדת במשך זמן בלתי מוגבל - כל עוד היא ממשיכה להתפזר בתווך הזה. מדהים, לא?
עד 1996 נתפסו כל הסוליטונים, בכל מחקר תיאורטי וניסויי שבו הם נחקרו, כישויות קוהרנטיות לחלוטין; אבל האינטואיציות שלי אמרו לי שאולי, אם נשתמש בתווך לא ליניארי המגיב באיטיות - הרבה יותר לאט מהתנודות האקראיות של האור הלא-קוהרנטי - נוכל ליצור סוליטונים שמקורם באור לא-קוהרנטי. התחלנו לבצע ניסויים, וב-1996 הדגמנו סוליטון המורכב מאור בעל קוהרנטיות מרחבית חלקית: אור לייזר שהועבר דרך מפזר אור (דיפיוזר) מסתובב. כעבור שנה הצגנו סוליטונים מ”אור לבן”, שמקורם באור של נורת להט פשוטה!
מי שהוביל את הניסויים הללו הם הסטודנטים שלי מט מיצ’ל (Matt Mitchell) כיום חוקר בכיר ב-Infinera - חברה העוסקת בפיתוח תקשורת אופטית חכמה; מינג-פנג שיא (Ming-feng Shih), כיום פרופסור לפיזיקה באוניברסיטה הלאומית של טייוואן; והפוסט-דוקטורנט שלי זיגאנג צ’אן (Zhigang Chen) כיום פרופסור לפיזיקה באוניברסיטה של סן פרנסיסקו.
בשנתיים הראשונות של המחקר לא היתה לנו תיאוריה - הכל היה מבוסס על אינטואיציה בלבד. בסוף 1997 פיתחנו את התיאוריות הראשונות, בשיתוף חבר טוב מאוד שלי בשם דמיטרי כריסטודולידס (Demetri Christodoulides), כיום פרופסור באוניברסיטה של פלורידה. גילוי הסוליטונים הלא-קוהרנטיים (“סוליטונים אקראיים”) חולל מהפכה במחקר בתחום. מאז התגלו סוליטונים כאלה במערכות רבות, בין השאר במבנים מחזוריים ובגבישים פוטוניים - מחקר של Hrvoje Buljan, כיום פרופסור באוניברסיטת זגרב, אורן כהן וגיא ברטל כאשר היו סטודנטים שלי, ושל ג’ייסון פליישר (Jason Fleischer) כאשר היה פוסט-דוקטורנט שלי. אורן וגיא הם כיום חברי סגל בטכניון, בפקולטות לפיזיקה ולהנדסת חשמל, וג’ייסון הוא פרופסור באוניברסיטת פרינסטון בארה”ב. סוליטונים לא-קוהרנטיים התגלו גם בתווך לא-ליניארי בעל השפעה ארוכת טווח (nonlocal nonlinear media) - עבודה של גטאנו אסנטו (Gaetano Assanto) וקלאודיו קונטי (Claudio Conti) מאיטליה, ושל אורן כהן וכרמל רוטשילד, שהוא כיום חבר סגל בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון. חוקרים רבים אחרים ברחבי העולם עובדים כיום על רעיונות המבוססים על סוליטונים לא-קוהרנטיים.
עובדה מעניינת היא שסוליטונים לא-קוהרנטיים התגלו גם בתחום הזמן: פולסים אשר לא מתרחבים בסיבים אופטיים. מחקר חשוב זה בוצע על ידי אנטוניו פיקוצי (Antonio Picozzi) מצרפת. בשנים האחרונות התגלו סוליטונים לא-קוהרנטיים גם במערכות פיזיקליות שאינן אופטיות. בשנת 2006 נצפו סוליטונים לא-קוהרנטיים המורכבים מגלי ספין בשכבות מגנטיות [מינגדזונג וו (Mingzhong Wu) וקארל פאטון (Carl Patton) בקולורדו]. לפני מספר שנים הראיתי, באופן תיאורטי, יחד עם Hrvoje Buljan, כאשר היה פוסט-דוקטורנט שלי, ועמי ורדי (פרופסור באוניברסיטת בן גוריון), שסוליטונים לא-קוהרנטיים אמורים להימצא גם בגלי חומר.
הרעיון של “גלים לא ליניאריים אקראיים” תופס כיום כיוונים מגוונים ומעניינים, כמו יצירת דפוסים ספונטניים עם גלים בעלי קורלציה חלשה, כפי שהראיתי עם הסטודנט שלי Marin Soljacic (כיום פרופסור לפיזיקה ב-MIT), הפוסט-דוקטורנט שלי דטלף קיפ Detlef Kip (כיום פרופסור באוניברסיטת המבורג, גרמניה), ודמיטרי כריסטודולידס. אני מאמין כי בשנים הבאות נחזה בתגליות חדשות בתחום של גלים לא-לינאריים אקראיים הנובעות ממשחק הגומלין בין אי-קוהרנטיות, פיזור ואי-ליניאריות.

במה התמקדת בהרצאת הפתיחה בכנס בבולטימור?
דיברתי על תופעה הנקראת “מיקום אנדרסון” (Anderson localization) של אור: כיצד אלומת אור מתפשטת בתווך המאופיין במקדמי שבירה אקראיים ושונים, ומתי האור נעשה ממוקם הודות לאותו אי-סדר. הרעיון של התפשטות ומיקום של גלים בתווך נטול סדר הועלה ב-1958, כאשר פיליפ אנדרסון חקר את תנועת האלקטרונים בגביש המכיל אי-סדר.
אנדרסון זכה בפרס נובל על מחקר זה ב-1977, אבל שאלות בסיסיות רבות לא נפתרו עד היום. תחום המחקר הזה נכנס לעולם האופטיקה באמצע שנות השמונים על ידי סאג’יב ג’ון ופיליפ אנדרסון, אשר הבינו כי גלים אלקטרומגנטיים הם כר פורה לחקר תופעה אוניברסלית זו, שכן באמצעות האור אפשר לבודד את האפקטים השונים המשפיעים על התפתחותן של “חבילות גלים” (wavepackets).
חשובה לא פחות העובדה שבאמצעות האור ניתן ממש לראות כיצד התפשטות הגל עוברת שינוי ו/או מיקום. במהלך השנים עבדו קבוצות מחקר רבות בתחום זה.
תאר את מחקרך בנושא מיקום אנדרסון - מה גילית ועל מה אתה עדיין עובד כיום?
לפני מספר שנים הצלחנו להראות נסיונית את תופעת מיקום אנדרסון בגביש פוטוני המכיל אי-סדר. חשיבותו של המחקר הזה נובעת בין השאר מהעובדה שזהו ניסוי ראשון שהצליח להדגים את מיקום אנדרסון במערכת מחזורית כלשהי הכוללת אי-סדר. בניסויים הבאים חקרנו את השפעתה של אי-ליניאריות על אפקטי המיקום. מחקר זה, שניהלתי עם הסטודנטים שלי באותה עת - טל שוורץ וגיא ברטל - ועם עמיתי שמואל פישמן, הוביל להרבה מחקרי המשך בכל העולם. הרעיון של מיקום גלים בתוך מערכת הכוללת הן אי-סדר והן אי-ליניאריות מעורר שאלות בסיסיות, אשר הובילו לוויכוחים רבים. לדוגמה, השאלה אם לאורך זמן תתרחב חבילת הגלים בסופו של דבר, או שאי-הסדר יבלום את הפיזור, כפי שקורה בתווך ליניארי. התשובה לשאלה זאת שרויה במחלוקת נרחבת בקהילה המדעית. המחקר שלנו ב-2007 היה המחקר הניסויי הראשון אי פעם של תופעות מיקום במערכת לא-ליניארית הכוללת אי-סדר.
בשנתיים האחרונות עבדתי עם סטודנט שלי, ליעד לוי, ופוסט-דוקטורנט שלי, מיכאל רכטסמן, על מיקום בגבישים קוואזי-מחזוריים - לדוגמה, גביש בעל עם סימטריה מחומשת.
גבישים קוואזי-מחזוריים הם לכשעצמם תופעה ייחודית בטבע, והם התגלו על ידי פרופסור דני שכטמן מהטכניון והוסברו על ידי עמיתי פרופסור דב לוין מהטכניון ופרופסור פול סטיינהרדט מפרינסטון; כולנו מקווים שהשלושה יזכו בפרס נובל על תגליתם.
ליעד, מיכאל ואני בחנו התפשטות של גלים בגבישים פוטוניים קוואזי-מחזוריים, ולהפתעתנו הרבה גילינו כי בנסיבות מסוימות יכולה חבילת הגלים לעבור תהליך שנקרא
disorder-enhanced transport. במילים אחרות, הכנסת אי-סדר לגביש קוואזי-מחזורי גורמת לאלומת אור להתרחב יותר מכפי שקורה לה בגבישים קוואזי-מחזוריים טהורים. יתר על כן, התרחבות זו, המנוגדת לאינטואיציה - כי אי-סדר נוטה דווקא להקטין התרחבות של אלומות גלים - מאופיינת בצורה המזכירה תהליכי דיפוזיה: לאלומת האור הממוצעת יש צורה גאוסיאנית. מאמר ראשון על תופעה זאת הופיע לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science.
לבסוף, בחודשים האחרונים גילינו הפתעה נוספת: אם האי-סדר האקראי משתנה במהירות במהלך ההתרחבות, אלומת האור מתרחבת הרבה יותר מהר מכפי שהיה קורה אפילו בתווך הומוגני לחלוטין, ללא אי-סדר כלל. במקביל, הפוסט-דוקטורנטים שלי Alex Szameit ומיכאל רכטסמן חקרו מערכות פוטוניות אמורפיות. אלה מערכות חסרות סדר אשר אין בהן כלל דיפרקצית בראג, כלומר הן חסרות את המאפיין הבסיסי ביותר של גבישים. למרות זאת הצלחנו להוכיח בניסוי ובתיאוריה את קיומו של “פער אסור” - זוויות בהן האור לא יכול להתפשט כלל. המאמר הראשון בנושא הופיע השבוע בכתב העת Physical Review Letters.
אני מאמין שזה רק קצה הקרחון. הפיזיקה של מערכות אופטיות המאופיינות באי-סדר, ליניאריות ולא ליניאריות, נמצאת בחיתוליה. אני מצפה להפתעות רבות בשנים הקרובות.
לאילו תגליות יכולה קהילת האופטיקה לצפות מקבוצת המחקר שלך בטכניון?
אנחנו עובדים על כמה פרויקטים במקביל, מן הסתם מפני שמאז ומתמיד אהבתי להיכנס לתחומים חדשים וללמוד נושאים חדשים. אבל אם אני מתבקש להצביע על תגלית אחת, הייתי אומר:
sparsity-based sub-wavelength imaging. זאת עבודה שהתחלתי לפני שנתיים עם פרופסור יונינה אלדר, מומחית בתחום עיבוד המידע, ועמיתי הצעיר אורן כהן, שהוסיף כמה רעיונות מצוינים בנושא
sparsity-based super - resolution במרחבי הזמן והתדר. למזלנו זכינו לכמה סטודנטים מצויינים במחקר הזה: יואב שכטמן, שניר גזית ופבל סידורנקו, ו-Alex Szameit , פוסט-דוקטורנט מעולה מגרמניה, אשר הפך לא מזמן לחבר סגל באוניברסיטת JENA.
מה צופן העתיד בתחום האופטיקה הלא-ליניארית?
האופטיקה הלא-ליניארית היא שדה רחב מאוד, וספקטרום המחקרים הפונטציאלי שלו אדיר - בין השאר בתחום של אופטו-פלואידיקה, כלומר יחסי אור-נוזל (ראו מסגרת תחתונה בעמ’ 16). יעד מחקר נוסף קשור בתופעות לא-ליניאריות במטא-חומרים: חומרים מלאכותיים בעלי תכונות אלקטרומגנטיות המהונדסות בסקלה הקטנה מאורך הגל. רעיונות מסוג זה כבר הוצעו במאמרים תיאורטיים רבים, אבל הניסויים מועטים. אין ספק שניסויים בתחום זה יובילו לרעיונות מלהיבים שלא הועלו על ידי תיאורטיקנים.

מהו החלק הטוב ביותר בחייו של פיזיקאי?
גילוי תופעה חדשה, בלתי צפויה או נוגדת-אינטואיציה. אלה הרגעים שמניעים אותי.
כתבה: אנג’לה סטארק, מנהלת התקשורת באגודה האמריקאית לאופטיקה (OSA).
הראיון התפרסם בכתב העת של האגודה, OPTICS AND PHOTONICS NEWS.

מצפה להפתעות רבות בשנים הקרובות.פרופסור שגב במעבדה

אור ונוזל: יחסי גומלין
אחד מיעדי המחקר העתידיים בתחום האופטיקה הלא-ליניארית הוא שילוב של תופעות לא-ליניאריות ואופטו-פלואידיקה: דינמיקה משולבת של אור ונוזל. עד כה נשלט התחום על ידי מהנדסים ומדעני חומרים. “הם עשו עבודה הנדסית מצוינת, אבל אין לי ספק שהתחום עדיין לא מוצה. ידוע כבר שנים רבות שהאור מפעיל כוחות על חלקיקים קטנים, הנעים כאשר הם שרויים בנוזל. המחקרים שנעשו התמקדו באופן כמעט מוחלט בחלקיקים עצמם, אבל אין ספק שהחלקיקים הנעים בנוזל יוצרים תנועה בנוזל עצמו: יש להם חיכוך, היוצר בנוזל זרימה שמקורה באור. בה בעת, האור משנה את הריכוז המקומי של החלקיקים בנוזל, וכתוצאה מכך משתנים מקדמי השבירה של ה”תרחיף” - ולכן הצורה של אלומת האור משתנה גם היא. יש כאן שלושה תהליכים לא-ליניאריים הפועלים באופן משולב: אור יוצר זרימה בנוזל; הזרימה משפיעה על ריכוז החלקיקים בכל מקום בנוזל; ושינוי הריכוז משנה את מקדם השבירה של האור בכל מקום בנוזל. כתוצאה מכך משתנה התפשטות האור בנוזל, וחוזר חלילה. כיוון זה עשוי להוביל לפיזיקה בסיסית חדשה, וכן ליישומים מעניינים, למשל שליטה בפיזור תרופות באמצעות אור, שליטה אופטית בתהליכים כימיים (כגון קטליזה) בדיוק של עשרות מיקרונים, ועוד. פרויקט זה יצא לדרך באמצעות סטודנט שלי לשעבר, כרמל רוטשילד, עם סיום הדוקטורט שלו (כרמל עשה פוסט-דוקטורט ב-MIT בתחום אנרגיית שמש; הוא מצטרף בקיץ הקרוב כחבר סגל חדש לפקולטה להנדסת מכונות בטכניון). הפרויקט המשיך והגיע להישגים יפים באמצעות סטודנטים אחרים שלי, אלעד גרינפלד, ויובל למהוט, וכעת הצטרפו לפרויקט קובי לומר (דוקטורנט חדש) וד”ר יוני נמירובסקי (שבתוניסט מרפא”ל.)

אנשים
אל תתנו לתהילה להטעות אתכם
פרופסור שגב, ש”גידל” סטודנטים רבים לתארים מתקדמים, כמו גם פוסט-דוקטורנטים רבים, מאמין בחשיבותו של הקשר האישי בין מנחה לסטודנט. “אל תתנו לתהילה להטעות אתכם,” הוא מציע לסטודנטים ולפוסט-דוקטורנטים העומדים לבחור מנחה. “אתם רוצים קשר ישיר עם חוקרים בכירים על בסיס יומיומי, לא באמצעות ‘שרשרת פיקוד’. לפני שתבחרו קבוצת מחקר ומנחה, דברו עם הסטודנטים הפעילים כיום בקבוצה וגם עם כאלה שהיו פעילים בה בעבר. לימדו מיהו החוקר כמדען וכאדם. זה האיש שיהיה האב המדעי שלכם, או האם המדעית שלכם, ולכן ודאו שבחרתם נכונה. נפל בחלקי המזל ללמוד מאחד המנחים הגדולים של עולם האופטיקה: האב המדעי שלי, אמנון יריב מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה. לאמנון היתה השפעה עצומה על הקריירה שלי.”
גם לחברי הסגל הצעירים יש לו עצה: לגייס סטודנטים בחוכמה ובזהירות, ולא להתבסס רק על ציונים גבוהים מהתואר הראשון. “אי אפשר להסיק מציונים כאלה שום מסקנה הקשורה ליצירתיות. תנו לסטודנטים החדשים לעבוד על פרויקטים קטנים במשך חודשיים-שלושה, כשהם עובדים בצמוד לכם. התייעצו עם הסטודנטים הוותיקים והפוסט-דוקטורנטים, ואז גייסו רק סטודנטים שמסוגלים לחשוב באופן יצירתי. אתם לא רוצים אנשים מיומנים המצוינים בפתרון תרגילי בית אך מקובעים מבחינה מחשבתית!”

פורסם במגזין הטכניון