רפי ביסטריצר מזוכי פרס וולף לפיזיקה: ידעתי שהעבודה שעשיתי עם מקדונלד עשתה באז אבל לא ידעתי עד כמה

“סיימתי דוקטורט במכון ויצמן ועברתי אחר כך לעשות פוסט דוקטורט אצל פרופ’ מקדונלד באוסטין טקסס. במסגרת המחקר פרסמנו מספר מאמרים על הגרפן הדו שכבתי המסובב. אחד מהם השפיע במיוחד על תחום הננוטכנולוגיה”

הטקסט הבוקר הוכרזו במשכן נשיאי ישראל שמות זוכי פרס וולף למדע ואומנות לשנת 2020, במעמד נשיא המדינה ראובן (רובי) ריבלין, שר החינוך הרב רפי פרץ וחתן פרס נובל פרופ’ דן שכטמן .
פרס וולף בפיזיקה יוענק השנה לשלושה זוכים: פרופ’ פבלו ג’רילו-הררו, יליד ספרד המכהן כפרופ’ במכון מסצ’וסטס לטכנולוגיה – (MIT) ארה”ב ,פרופ’ אלאן ה. מקדונלד מאוניברסיטת טקסס באוסטין – וד”ר רפי ביסטריצר, מחברת אפלאייד מטריאלס–ישראל, על עבודתם החלוצית בתיאוריה ובניסוי של גרפן דו-שכבתי מסובב שיוביל, בין היתר, למהפכת אנרגיה אדירה.

פרס וולף הוא הפרס המדעי היוקרתי ביותר המחולק בישראל, רבים מהזוכים בו בתחומים החופפים לפרס נובל זכו לאחר מכן גם בפרס העולמי היוקרתי בהם בין היתר פרופ’ דן שכטמן וגם זוכי נובל בפיזיקה לשנת 2019, מישל מאיור ודידיה קולו, מגלי כוכב הלכת הראשון מחוץ למערכת השמש, שקיבלו את פרס וולף על אותה תגלית ב-2017.

בשיחה עם CHIPORTAL אומר ד”ר ביסטריצר כי הוא הופתע. “סיימתי דוקטורט במכון ויצמן ועברתי אחר כך לעשות פוסט דוקטורט אצל פרופ’ מקדונלד באוסטין טקסס. במסגרת המחקר פרסמנו מספר מאמרים על הגרפן הדו שכבתי המסובב. אחד מהם עורר הדים. אני כבר יצאתי מהתחום ואיני עוסק מזה עשור בפיזיקה תיאורטית. אני בכל זאת נמצא בקשר עם המנחה שלי דאז, אלן מקדונלד והוא עדכן אותי שהעבודה מוזכרת במאמרים רבים. כשפרסמנו את העבודה, בה הסברנו כיצד לבצע בקלות יותר את התהליך, ידענו שיהיו נסיינים שיבקשו לבצע ניסויים כאלה. “זה פרס שקשה לקבל אותו ולכן מדובר בהפתעה גדולה.” מסביר ד”ר ביסטריצר.

מה חשיבות התגלית?

פרופ’ ביסטריצר: “יש הרבה פאזות – מצבים של חומר שיודעים שקיימים נסיונית אבל לא יכולים להסביר אותם. מנסים זאת כבר עשרות שנים אבל הניסויים שהחיה צריך עשות כדי לתעד אותם מסובכים, לדוגמה קופרטים שהם על מוליכים בטמפרטורה גבוהה – מוליכים ללא התגדות. יש הרבה תיאוריות שמנסות להסביר זאת, ואןכ ההבנה מאוד השתפרה אבל אין הבנה מלאה של התנהגות החומר. הניסויים בחומר הזה מאוד קשים, מה שהמערכת הזו מאפשרת בפעולה פשוטה הדומה לזו שמבצע שער גייט בטרנזיסטור לשנות את המתח של הגרפן המסובב ולאפשר לעבור בין מצב מבודד למצב על מוליך.”

“כעת קל לחקור את המערכת ולנסות להבין למה החומר הזה הוא על מוליך. יש פנטזיות על דברים שאפשר יהיה לעשות אם ישתמשו בו למיתוג בטרנזיסטורים אבל עוד חזון למועד. אבל כבר עכשיו השיטה מאפשרת למדענים בעולם לחקור על מוליכות וגם מבודדים בצורה מבוקרת ויחסית קלה.”
“מדובר בתופעה פיזיקלית מאוד מעניינת. על התופעה לבד לא נותנים פרס , אלא בגלל הפוטנציאל הטמון בה כדי ללמוד פיזיקה חדשה.
איך הגעת לאפלייד ומה תפקידך בחברה?

“אחרי הפוסט חזרתי לארץ, חיפשתי משרה באקדמיה אבל זה לא הסתדר. מקדונלד רצה שאשאר בארהב אבל לא רציתי. ואז עברתי לתעשיה. האמת שאנחנו עושים דברים מעניינים ומנסים לפתור בעיות שאף אחד בעולם לא יכול לפתור. ויש לי קבוצה מעולה של אנשים מצויינים.”

“באפלייד אני מנהל קבוצת אלגוריתמים ועוסק בפיתוח בסורק אלקטרוני. אני לא יכול לספר יותר מדי, רק לומר שאנו מפתחים אלגוריתמים שקשורים לגילוי ומטרולוגיה ומשתמשים בשיטות שלן ראיה מלאכותית ולימוד מכונה.
בתעשיית השבבים האתגר של מיקרוסוקפים אלקטרוניים מאוד גדל כי הכל נהיה קטן ובאמצעים אופטיים אי אפשר לגלות את הכל, ובאמת יש אתגר גדול בדברים שאפשר לעשות עם מיקרוסוקופ אלקרטוני כדי לקדם את התעשיה בצמתי הייצור המתקדמים.”

נימוקי וועדת הפרס

בשנת 2004 בודדה לראשונה שכבה דו-ממדית בעובי של אטום אחד של פחמן הקרויה “גרפן”. מאז הולך וגובר העניין בשכבות כאלה ובחומרים דו-ממדיים והגרפן מהווה בסיס לדור חדש לחלוטין של חומרים וטכנולוגיות. התקווה היא שיישומים המבוססים על גרפן ייטיבו עם הסביבה ויוזילו עלויות.

בתעשיית האלקטרוניקה והמחשבים נדרשים חומרים שניתן לשלוט בהולכה שלהם. מחקרים פורצי הדרך של החוקרים ג’רילו הררו, מקדונלד וביסטריצר, הראו כי ניתן לשלוט בתכונות ההולכה של צמתי גרפן באמצעות הזוית המרחבית שבין שכבות הגרפן וכי בזוויות מסויימות קיימת התנהגות פיזיקלית מפתיעה של האלקטרונים. בשנת 2011 חקרה קבוצתו של אלן מקדונלד, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת טקסס, התנהגות מעניינת של לוחות גרפן דו-שכבתי מסובב המונחים זה מעל זה, כלומר במצב בו קיימת זוית מסוימת, קטנה, בין הלוחות. לפי חישוביהם של מקדונלד וביסטריצר )שעבד כפוסט-דוקטורנט עם מקדונלד באותה עת(. מהירות המנהור של אלקטרונים בין השכבות תלויה בזווית הסיבוב בניהם ונעלמת לגמרי ב”זוית קסם” של . 1.1 מעלות. התקווה הייתה שהדבר יוביל ליצירת על-מוליך חדש, כלומר חומר שמאפשר מעבר זרם חשמלי ללא התנגדות כלל וללא איבודי אנרגיה.

המאמר המקורי של מקדונלד וביסטריצר שתיאר את תגליתם לא זכה לתגובה אוהדת בעולם המדעי ואף נשכח במשך מספר שנים. באותה תקופה עבד פרופ’ גרילו-הררי על גרפן דו-שכבתי מסובב במעבדתו במכון הטכנולוגי של מסצ’וסט. הוא השתכנע שיש ממש ברעיונות של מקדונלד וביסטריצר וקבוצת המחקר שלו השקיעה מאמץ רב ביצירת ובמדידת גרפן דו שכבתי מפותל בזויות שונות.
הנסיונות נשאו פרי כאשר נמצא כי הנחת השכבות בזוית של 1.1 מעלות האחת יחסית לשניה, זוית המכונה “זוית הקסם”, גורמת לתכונות חשמליות יוצאות דופן, בדיוק כפי שהציעו מקדונלד וביסטריצר. במצב זה, בטמפרטורות נמוכות דיין, עוברים האלקטרונים משכבה לשכבה ביעילות גבוהה ויוצרים שריג בעל תכונות יוצאות דופן. ממצאים אלו פורסמו במאמר 2018 ,אשר היווה מהפיכה של ממש בתחום הפיזיקה, וגרם לשטף של עבודות נוספות בתחום הגרפן הדו-שכבתי. פבלו ג’רילו-הררו מכון מסצ’וסטס לטכנולוגיה אלן מקדונלד אוניברסיטת טקסס, אוסטין התגלית החדשה מאפשרת לבנות על-מוליך מגרפן דו שכבתי אשר תנועת האלקטרונים בו נשלטת לחלוטין על ידי מתח חשמלי חיצוני. ההתנהגות חשמלית כזו מזכירה את ההתנהגות של משפחת חומרים מוליכי-על מבוססי נחושת שנקראת קופרטים. הקופרטים מראים הולכת חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות גבוהות במיוחד יחסית למוליכי-על אחרים. כתוצאה מכך הקופרטים הפכו למקור תקווה גדול להגשמת החלום של הולכת חשמל ללא איבוד אנרגיה בטמפרטורות קרובות לטמפרטורת החדר.
אם תוגשם המטרה, זו תהיה מהפכת אנרגיה אדירה. אלא שאחד המכשולים שמונעים מהפכה שכזו הוא שאין בידנו כיום תיאוריה שמסבירה את ההתנהגות של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות, ובהיעדר בסיס תיאורטי מוצק קשה לפתח חומרים חדשים וטובים יותר. זו אחת הסיבות להתרגשות הרבה סביב תגלית הגרפן הדו-שכבתי וזווית הקסם שבין השכבות, תגלית המאפשרת להבין טוב יותר את המתרחש ברמה המיקרוסקופית בעת המעבר ממצב של מוליך למצב של על מוליך.