אלקטרונים תחת השפעה

כאשר אלקטרונים "חשים" זה בקיומו של זה, מתרחשות תופעות פיסיקליות מרתקות

"בעצם לא ידעתי שאני רוצה לעסוק בפיסיקה – עד שהתחלתי ללמוד את התחום", אומרת ד"ר קרן מיכאלי, שהצטרפה באחרונה למחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע. התובנה הזו התרחשה בזמן לימודיה לתארים ראשון ושני בפיסיקה ובמדעי המחשב באוניברסיטת תל-אביב. "אני מניחה שיש דרכים קלות יותר להתפרנס, אבל אף אחת מהן לא כייפית כל כך", היא אומרת.

ד"ר מיכאלי סיימה את לימודי הדוקטורט בקבוצתו של פרופ' אלכסנדר פינקלשטיין במכון ויצמן למדע. לאחריו הוענקה לה "מלגת פפלרדו" למחקר בתר-דוקטוריאלי, אותו עשתה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) – אשר איפשר לה לנהל מחקר עצמאי בשיתוף מספר פיסיקאים מהבולטים בתחום זה. בנוסף הוענקה לה מלגה מטעם התוכנית הלאומית לקידום נשים במדע שמעניק מכון ויצמן למדע, במטרה לסייע למדעניות צעירות לצאת לחו"ל למחקר בתר-דוקטוריאלי.

כפיסיקאית תיאורטית מתמקדת ד"ר מיכאלי בהבנת המיגוון העשיר של התכונות החשמליות המאפיינות חומר מוצק. במרבית המוליכים-למחצה והמתכות, אלקטרונים בודדים "אינם חשים" בקיומם של אלקטרונים אחרים, אך כאשר האלקטרונים מצליחים לחוש בנוכחות אלקטרונים אחרים, מתרחשות תופעות מרתקות. ד"ר מיכאלי מתעניינת בחומרים שבהם מובילים הכוחות החשמליים הפועלים בין האלקטרונים ל"התנהגות קבוצתית" מורכבת. תופעה כזו עשויה להפוך את החומר למגנט, למוליך-על, ואף לחומרים מסוגים ייחודיים ונדירים יותר. הנתיב לגילוי תכונותיהם משלב פיסיקה תיאורטית וניסיונית; והאפשרות לבחון תובנות בסיסיות במעבדה, ואף להפיק מהן יישומים טכנולוגיים מועילים, מלהיבה במיוחד את ד"ר מיכאלי. "הבנת המיגוון המרתק של תופעות פיסיקליות תוכל בעתיד לקדם את התחום לכיוון אחת המטרות האולטימטיביות של מדעי החומר – ייצור חומרים לפי דרישה", היא אומרת.

קבוצה של חומרים המעוררת את סקרנותה נושאת בחובה הבטחה לפיתוח סוגים חדשים של אלקטרוניקה: מבנים רב-שכבתיים של מבודדים רוויים בחמצן. בדומה למוליכים-למחצה, במערכות כאלה ניתן לשלוט במדויק במעבדה, אולם יש להן תכונה חשובה נוספת: הכוחות הפועלים בין האלקטרונים שלהם חזקים ביותר. תוצאה מפתיעה של תכונה זו היא קיומן של שתי תופעות, אשר באופן רגיל סותרות זו את זו, בעת ובעונה אחת: מוליכות-על ומגנטיות. באחרונה הצליחה ד"ר מיכאלי לפתח מודל אשר פותר את התעלומה הזאת, אולם שאלות רבות אחרות עדיין מחכות למענה. "היכולת שלנו כיום להבין חומרים כאלה משתווה לרמה בה הבנו מוליכים-למחצה בשנות ה-70 של המאה ה-20", אומרת ד"ר מיכאלי. "עבודה רבה עוד לפנינו".

נושא נוסף שמעסיק את ד"ר מיכאלי נוגע לכלי מחקר רב-עוצמה, המשמש לניתוח יחסי גומלין בין אלקטרונים. המחקר בתחום זה נעשה באמצעות בדיקה של הזרם החשמלי שנוצר כאשר גורמים להפרשי טמפרטורות בין שני קצותיו של חומר. "התצפית בהמרה של אנרגיית חום לחשמל", אומרת ד"ר מיכאלי, "מהווה מעין 'זכוכית מגדלת', המאפשרת למדענים להבין את יחסי הגומלין בין האלקטרונים, וכך, בסופו של דבר, לנסח את החוקים הפיסיקליים העומדים בבסיס התנהגותם". זאת, משום שהכוחות הפועלים בין אלקטרונים עשויים לפזר מחדש את האנרגיה, אפילו במצב בו האלקטרונים עצמם אינם יכולים לזוז.

בעבודה מוקדמת שלה פיתחה ד"ר מיכאלי שיטה לחיזוי יעיל של תוצאות ניסויים מסוג זה, שבמסגרתם מומרת אנרגיית חום לזרם חשמלי, בסוגים רבים של מערכות. השיטה שפיתחה מצליחה לזהות נטייה של המערכת לכיוון מוליכות-על גם כשהכוחות חלשים מכדי לחולל מצב כזה בפועל, ולא ניתן להבחין בהם בעזרת אמצעי מדידה אחרים. בעתיד היא מתכננת להמשיך לחקור את תפקיד העברת האנרגיה במערכות שונות של מבודדים, וכן לבחון את האפשרות להפיק מידע חיוני על התכונות של מערכות כאלה באמצעות סוגים נוספים של מדידות.

למרות שמחקריה נעשים בדרך כלל תוך כדי דיונים תיאורטיים מול הלוח או המחשב, ד"ר מיכאלי מפיקה הרבה משיחות אגביות עם פיסיקאים ניסיוניים. "לפעמים, גם שיחה קצרה מעניקה לי זווית חדשה לעבוד עליה, או שאלה חדשה שדורשת תשובה. במקרים אחרים אני זו שיכולה לתרום מבט נוסף על מערכת ניסיונית".