אלן מקדונלד
חתן פרס וולף בפיזיקה 2020
אלן ה. מקדונלד
שייכות בעת מתן הפרס:
אוניברסיטת טקסס אוסטין, ארה"ב
נימוק למתן הפרס:
"על עבודתם החלוצית בתיאוריה וניסוי של גרפן דו-שכבתי מסובב".
שותפים לפרס:
אלן ה. מקדונלד
פבלו ג'רילו-הררו
רפי ביסטריצר
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 חרייו הררו, מקדונלד וביסטריצר, הראו כי ניתן לשלוט בתכונות ההולכה של צמתי גרפן באמצעות הזווית המרחבית שבין שכבות הגרפן וכי בזוויות מסוימות 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 זווית 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"זווית 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. חרייו-הררי על גרפן דו-שכבתי מסובב במעבדתו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. הוא השתכנע שיש ממש ברעיונות של מקדונלד וביסטריצר וקבוצת המחקר שלו השקיעה מאמץ רב ביצירת ובמדידת גרפן דו שכבתי מפותל בזויות שונות.
הניסיונות נשאו פרי כאשר נמצא כי הנחת השכבות בזווית של 1.1 מעלות האחת יחסית לשנייה, זווית המכונה "זווית 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.
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.
אלן מקדונלד (יליד 1951, קנדה) קיבל את התואר הראשון מאוניברסיטת סנט פרנסיס קסאבייר, אנטיגוניש, נובה סקוטיה, קנדה בשנת ב-1973 ואת התואר השני (1974) והדוקטורט בפיזיקה (1978) מאוניברסיטת טורונטו. מקדונלד היה חבר בצוות המחקר של מועצת המחקר הלאומית של קנדה בשנים 1978 עד 1987, ולימד באוניברסיטת אינדיאנה (1987-2000) ובאוניברסיטת טקסס באוסטין (משנת 2000 ועד היום) שם הוא מכהן כיום כראש מרכז סיד וו. ריצ'רדסון לפיזיקה. בעבודותיו תרם רבות למחקר על אפקט הול הקוונטים, תיאוריית מבנה הפסים האלקטרוניים, מגנטיות ומוליכות-על.
