נתנאל לינדנר

זוכה פרס קריל 2016

נתנאל לינדנר ( Netanel Lindner) 

הטכניון 

מחקר : תופעות טופולוגיות בפיסיקה של חומר מעובה קוונטי

באופן מסורתי, פיסיקאים סווגו מצבי צבירה של חומרים על פי עקרונות של סימטריה. לפי שיטה זו, מצבי הצבירה מוגדרים על פי סימטריה שנשברת בהם. לדוגמא, כאשר חומר נהיה מגנטי, נבחר כיוון במרחב שמציין את כיוון השדה המגנטי. דוגמא נוספת הם מוצקים, שבהם היונים מסודרים באתרי שריג, לעומת מצב הצבירה הנוזלי, שבו צפיפות האטומים אחידה. עקרון הסימטריה היווה עמוד תווך מרכזי בחקר הפיסיקה של מערכות של חומר מעובה, העוסקת בתכונות של גזים, נוזלים ומוצקים. בפרט, עקרון זה אפשר הבנה של מצבי הצבירה השונים והמעברים ביניהם.

במהלך שני העשורים האחרונים, התגלה קשר עמוק ומפתיע בין התכונות של חומרים ומושגים מתמטיים מתחום הטופולוגיה. בטמפרטורות נמוכות, מכניקת הקוונטים מאפשרת קיום של מצבי צבירה שלא ניתן לסווגם על פי עקרון הסימטריה. במקום זאת, מצבי צבירה אלו מאופיינים על ידי תכונות טופולוגיות שמקודדות במצב היסוד הקוונטי של המערכת. טופולוגיה היא תחום מתמטי שעוסק בתכונות של מרחבים שיציבות תחת שינויים קטנים של המרחב. לדוגמא, הבדל מבחין בין ספל לבין כדור הוא הידית של הספל. לכדור לא ניתן להוסיף ידית על ידי עשיית שינויים קטנים בצורתו. באותו אופן, עקרונות מתחום הטופולוגיה מאפשרים לסווג מצבי צבירה קוונטים, באופן שאינו רגיש לשינויים קטנים בתכונות המיקרוסקופיות של החומר.

מצבי הצבירה הטופולוגיים נובעים משילוב מרהיב בין מכניקת קוונטים ופיסיקה של חומר מעובה. הם מפגינים שפע של מאפיינים יוצאי דופן, שלהם השלכות מרחיקי לכת על הבנתנו את העקרונות הפיסקליים השולטים במערכות אלה, וכן על טכנולוגיות עתידיות. דוגמא מצוינת הם סוג חדש של חומרים שהתגלה לראשונה בשנת 2005. אלו הם חומרים מבודדים, שעל השפה שלהם נמצאת מתכת בעלת תכונות בלתי שגרתיות. מתכת זו נוצרת בגלל אפקטים טופולוגיים, המשתקפים באופן המיוחד בו נעים האלקטרונים על השפה החיצונית של החומר. תנועה מיוחדת זאת גורמת לכך שלא ניתן להסיר את המתכת מהשפה של החומר. תכונה מסקרנת נוספת, אם כי נדירה בהרבה, היא המצאות של חלקיקים בעלי מספרים קוונטים "שבורים", המאפיינים חלק מהמצבים הטופולוגיים. לחלקיקים מסוג זה אין אח ורע במודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים בטבע, אך הם יכולים להופיע כערעורים של נוזלים קוונטים. בעזרת חלקיקים אלה, ניתן לשמור אינפורמציה קוונטית באופן שתהיה מוגנת מרעשים והפרעות. משום כך, מצבים טופולוגיים יכולים להוות את המפתח לפתרון אחד האתגרים הקשים ביותר בפיסיקה וטכנולוגיה של המאה ה-21: בניית מחשב קוונטי.

עקב תכונותיהם המרתקות, מצבים טופולוגיים עומדים בחזית המחקר בפיסיקה של חומר מעובה. אבל יופי מדעי זה אינו בא בקלות: מצבים טופולוגיים מציבים אתגרים קשים לאנליזה תיאורטית וניסיונית. מבחינה תיאורטית, ישנם רבדים רבים שנותרו ללא חקר, ואחרים שמצריכים הבנה תיאורטית עמוקה יותר. החזית הניסיונית בתחום נמצאת בשלב ראשוני עוד יותר. למעשה, עד כה רק קבוצה קטנה של מצבי צבירה אלה נצפתה במערכות ניסיוניות.

עד כמה נרחב התפקיד של טופולוגיה בפיסיקה של חומר מעובה? האם ניתן למצוא משטרים פיסיקליים חדשים שבהם ניתן לצפות בתופעות טופולוגיות? האם ניתן למצוא מערכות חומר מעובה, הניתנות ליישום במעבדה ומציגות את שלל התופעות האלה? אלה הן סוג השאלות שנמצאות בחזית המחקר שלי. מטרת תכנית המחקר שלי היא למצוא התגלמויות חדשות של מצבים טופולוגיים במערכות של חומר קוונטי, להציע דרכים לממש אותם בצורה ניסיונית , ולפתח שיטות לאבחן, לשלוט ולהשתמש בהם.

נתנאל לינדנר מתרכז בשלשה נושאי חקר עיקריים: חומרים קוונטים בעלי סטטיסטיקה שבורה, תופעות טופולוגיות מחוץ לשיווי משקל, וטופולוגיה בחומרים הנובעת מאינטראקציית אור וחומר.

זוכי פרס קריל

// order posts by year $posts_by_year;