מרדכי (מוטי) הייבלום

חתן פרס וולף בפיזיקה 2025

מרדכי (מוטי) הייבלום

 

שייכות בעת הענקת הפרס:

מכון ויצמן למדע, ישראל

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומתם להבנת התכונות הייחודיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות בשדות מגנטיים חזקים".

 

שותפים לפרס:

מרדכי הייבלום

ג'ייננדרה ג'אין

ג'יימס אייזנשטיין

 

מרדכי (מוטי) הייבלום (1947 ,ישראל) פיזיקאי ומהנדס חשמל, קיבל תואר ראשון בטכניון בשנת 1973 , תואר שני באוניברסיטת קרנגי מלון, ארה"ב בשנת 1974 , ותואר דוקטור בשנת 1978 מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. כולם בהנדסת חשמל. את הקריירה שלו החל במרכז המחקר תומאס ג'יי ווטסון של IBM , שם עבד במשך 12 שנים. בשנת 1990 שב הייבלום לישראל כדי להקים את המרכז התת-מיקרוני למחקר התקני מוליכים- למחצה ממוזערים במכון ויצמן למדע, בו הוא משמש כמנהל מאז היווסדו. בנוסף, הוא ייסד ועמד בראש המחלקה לפיזיקת חומר מעובה, והוא מכהן בקתדרה על שם אלכס ואידה סוסמן למחקרים תת-מיקרונים.

שלושת הזוכים הובילו להבנה מעמיקה של אפקט הול הקוונטי השברי. תופעה זו, (שזיכתה את מגליה בפרס נובל), מתרחשת בשכבת אלקטרונים דקה שעליה פועל שדה מגנטי חזק: הזרם החשמלי נראה כאילו הוא נישא על ידי חלקיקים שמטענם החשמלי הוא שבר של מטען האלקטרון.

ד"ר ג'אין פיתח מסגרת תאורטית להבנה אינטואיטיבית של התופעה, כאשר הציג את החלקיק בעל המטען ״השבור״ כ״פרמיון מרוכב״: אלקטרון המחובר לגליל דמיוני בו כלוא שטף מגנטי. הרעיון המהפכני של ד״ר ג’אין-מערכת שבה מספר רב של אלקטרונים שביניהם אינטראקציות חזקות יכולה להיות מתוארת על ידי חלקיקים מרוכבים שביניהם אינטראקציות חלשות- מסבירה במלואה את תופעת הול השברית. חלקיקים מרוכבים אלו ידועים כיום כ״מצבי ג’אין״. חישובים שנעשו במסרגת התאורטית התאימו להפליא לתוצאות מחקרים נומריים והסבירו תוצאות ניסיוניות, במיוחד של ניסויים (שבהם צפיפות האלקטרונים התאימה לערך השברי 5/2) שמצאו התנהגות הדומה במידת-מה לזו של מוליך-על.
ד"ר הייבלום הוביל את חקר חלקיקים אקזוטיים אלה במעבדה. באמצעות פיתוח חומרים (חצאי-מוליכים) בדרגת ניקיון גבוהה במיוחד ושימוש בטכניקות של התאבכות אלקטרונית, סיפקה הקבוצה של הייבלום עדויות ישירות לקיומו של מטען שברי ואימתה מספר תחזיות יסודיות, כמו הסטטיסטיקה האנומלית (זו שנמצאת בין הסטטיסטיקה של פרמיונים לזו של הבוזונים). ניסוי מרכזי בקבוצתו של הייבלום גילה במפתיע הולכת חום מקוונטטת בחומר בו צפיפות האלקטרונים מתאימה לערך השברי 5/2 . הניסוי הזה מאשש את התחזית כי הפרמיונים המרוכבים הינם פרמיוני מאיורנה בעלי המטען השבור, שלהם השלכות אפשריות על מחשוב קוונטי.
ד”ר אייזנשטיין היה שותף לגילוי מצב הול הקוונטי השברי המתאים לערך 5/2 , והמשיך לחקור פאזות אקזוטיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות. מחקריו כוללים גילוי של מצב אנאיזוטרופי שבו ההתנגדות הנמדדת לאורך כיוון מסוים גדולה באופן משמעותי מההתנגדות בכיוון המאונך לו, תופעה המזכירה גביש נוזלי. השיטות שפיתח ד”ר אייזנשטיין להפרדת שכבות מגע של אלקטרונים בודדים, אפשרו להבין את התנועה המתואמת של זוגות אלקטרון-חור בשתי השכבות. באופן כזה הוא ראה בניסוי את עיבוי בוז-איינשטיין, תצפית פורצת דרך בתחומה.
הענקת פרס וולף לשנת 2025 לשלושת הפיזיקאים האלה מהווה הכרה בתרומותיהם יוצאות הדופן לחקר חומרים קוונטיים, והשפעותיהן מרחיקות הלכת על טכנולוגיות קוונטיות מתפתחות.

ג'יימס אייזנשטיין

חתן פרס וולף בפיזיקה 2025

ג'יימס אייזנשטיין

 

שייכות בעת הענקת הפרס:

קאלטק (Caltech), ארה"ב

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומתם להבנת התכונות הייחודיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות בשדות מגנטיים חזקים".

 

שותפים לפרס:

ג'יימס אייזנשטיין

ג'ייננדרה ג'אין

מרדכי הייבלום

 

ג'יימס אייזנשטיין (1952 , ארה"ב) קיבל תואר ראשון באוניברסיטת אוברלין, ארה"ב בשנת 1974 והשלים דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, בשנת 1980 . לאחר ששימש כמרצה באוניברסיטת ויליאמס, הצטרף למעבדות בל בשנת 1983 כחבר בצוות הטכני. בשנת 1996 קיבל משרת סגל במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) והפך לפרופסור לפיזיקה ופיזיקה יישומית ע"ש פרנק ג'יי. רושק בשנת 2005 . הוא פרש כפרופסור אמריטוס בשנת 2018 וסיים את מחקריו הניסיוניים בשנת 2021 . אייזנשטיין תרם לוועדות רבות של המועצה הלאומית למחקר בארצות הברית, כולל ועדת מדעי המצב המוצק והוועדה לפיזיקה ואסטרונומיה. בנוסף, שימש כעורך משנה בכתב העת Annual Review of Condensed Matter Physics בין השנים 2014 ל- 2017 .

שלושת הזוכים הובילו להבנה מעמיקה של אפקט הול הקוונטי השברי. תופעה זו, (שזיכתה את מגליה בפרס נובל), מתרחשת בשכבת אלקטרונים דקה שעליה פועל שדה מגנטי חזק: הזרם החשמלי נראה כאילו הוא נישא על ידי חלקיקים שמטענם החשמלי הוא שבר של מטען האלקטרון.

ד"ר ג'אין פיתח מסגרת תאורטית להבנה אינטואיטיבית של התופעה, כאשר הציג את החלקיק בעל המטען ״השבור״ כ״פרמיון מרוכב״: אלקטרון המחובר לגליל דמיוני בו כלוא שטף מגנטי. הרעיון המהפכני של ד״ר ג’אין-מערכת שבה מספר רב של אלקטרונים שביניהם אינטראקציות חזקות יכולה להיות מתוארת על ידי חלקיקים מרוכבים שביניהם אינטראקציות חלשות- מסבירה במלואה את תופעת הול השברית. חלקיקים מרוכבים אלו ידועים כיום כ״מצבי ג’אין״. חישובים שנעשו במסרגת התאורטית התאימו להפליא לתוצאות מחקרים נומריים והסבירו תוצאות ניסיוניות, במיוחד של ניסויים (שבהם צפיפות האלקטרונים התאימה לערך השברי 5/2) שמצאו התנהגות הדומה במידת-מה לזו של מוליך-על.
ד"ר הייבלום הוביל את חקר חלקיקים אקזוטיים אלה במעבדה. באמצעות פיתוח חומרים (חצאי-מוליכים) בדרגת ניקיון גבוהה במיוחד ושימוש בטכניקות של התאבכות אלקטרונית, סיפקה הקבוצה של הייבלום עדויות ישירות לקיומו של מטען שברי ואימתה מספר תחזיות יסודיות, כמו הסטטיסטיקה האנומלית (זו שנמצאת בין הסטטיסטיקה של פרמיונים לזו של הבוזונים). ניסוי מרכזי בקבוצתו של הייבלום גילה במפתיע הולכת חום מקוונטטת בחומר בו צפיפות האלקטרונים מתאימה לערך השברי 5/2 . הניסוי הזה מאשש את התחזית כי הפרמיונים המרוכבים הינם פרמיוני מאיורנה בעלי המטען השבור, שלהם השלכות אפשריות על מחשוב קוונטי.
ד”ר אייזנשטיין היה שותף לגילוי מצב הול הקוונטי השברי המתאים לערך 5/2 , והמשיך לחקור פאזות אקזוטיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות. מחקריו כוללים גילוי של מצב אנאיזוטרופי שבו ההתנגדות הנמדדת לאורך כיוון מסוים גדולה באופן משמעותי מההתנגדות בכיוון המאונך לו, תופעה המזכירה גביש נוזלי. השיטות שפיתח ד”ר אייזנשטיין להפרדת שכבות מגע של אלקטרונים בודדים, אפשרו להבין את התנועה המתואמת של זוגות אלקטרון-חור בשתי השכבות. באופן כזה הוא ראה בניסוי את עיבוי בוז-איינשטיין, תצפית פורצת דרך בתחומה.
הענקת פרס וולף לשנת 2025 לשלושת הפיזיקאים האלה מהווה הכרה בתרומותיהם יוצאות הדופן לחקר חומרים קוונטיים, והשפעותיהן מרחיקות הלכת על טכנולוגיות קוונטיות מתפתחות.

ג'ייננדרה ג'אין

חתן פרס וולף בפיזיקה 2025

ג'ייננדרה ג'אין

 

שייכות בעת הענקת הפרס:

אוניברסיטת המדינה של פנסילבניה, ארה"ב

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומתם להבנת התכונות הייחודיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות בשדות מגנטיים חזקים".

 

שותפים לפרס:

ג'ייננדרה ג'אין

מרדכי הייבלום

ג'יימס אייזנשטיין

 

ג'ייננדרה ג'אין (1960, הודו) קיבל תואר ראשון במכללת מהרג'ה בג'איפור (1979), תואר שני בפיזיקה במכון הטכנולוגי ההודי (IIT) בקאנפור (1981), ודוקטורט באוניברסיטת סטוני ברוק (1985) בהנחיית הפרופסורים פיליפ ב. אלן וסטיבן קיבלסון. לאחר תקופות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת מרילנד (1988) ובאוניברסיטת ייל (1989), חזר ג'אין לאוניברסיטת סטוני ברוק כחבר סגל בשנת 1989 . בשנת 1998 הצטרף לאוניברסיטת פנסילבניה, שם הוא ממשיך בעבודתו עד היום. הוא כתב את הספר Composite Fermions (הוצאת אוניברסיטת קיימברידג', 2007) ושימש כעורך שותף של Fractional Quantum Hall Effects: New Developments (הוצאת וורלד סיינטיפיק, 2020) יחד עם ברטראנד הלפרין.

שלושת הזוכים הובילו להבנה מעמיקה של אפקט הול הקוונטי השברי. תופעה זו, (שזיכתה את מגליה בפרס נובל), מתרחשת בשכבת אלקטרונים דקה שעליה פועל שדה מגנטי חזק: הזרם החשמלי נראה כאילו הוא נישא על ידי חלקיקים שמטענם החשמלי הוא שבר של מטען האלקטרון.

ד"ר ג'אין פיתח מסגרת תאורטית להבנה אינטואיטיבית של התופעה, כאשר הציג את החלקיק בעל המטען ״השבור״ כ״פרמיון מרוכב״: אלקטרון המחובר לגליל דמיוני בו כלוא שטף מגנטי. הרעיון המהפכני של ד״ר ג’אין-מערכת שבה מספר רב של אלקטרונים שביניהם אינטראקציות חזקות יכולה להיות מתוארת על ידי חלקיקים מרוכבים שביניהם אינטראקציות חלשות- מסבירה במלואה את תופעת הול השברית. חלקיקים מרוכבים אלו ידועים כיום כ״מצבי ג’אין״. חישובים שנעשו במסרגת התאורטית התאימו להפליא לתוצאות מחקרים נומריים והסבירו תוצאות ניסיוניות, במיוחד של ניסויים (שבהם צפיפות האלקטרונים התאימה לערך השברי 5/2) שמצאו התנהגות הדומה במידת-מה לזו של מוליך-על.
ד"ר הייבלום הוביל את חקר חלקיקים אקזוטיים אלה במעבדה. באמצעות פיתוח חומרים (חצאי-מוליכים) בדרגת ניקיון גבוהה במיוחד ושימוש בטכניקות של התאבכות אלקטרונית, סיפקה הקבוצה של הייבלום עדויות ישירות לקיומו של מטען שברי ואימתה מספר תחזיות יסודיות, כמו הסטטיסטיקה האנומלית (זו שנמצאת בין הסטטיסטיקה של פרמיונים לזו של הבוזונים). ניסוי מרכזי בקבוצתו של הייבלום גילה במפתיע הולכת חום מקוונטטת בחומר בו צפיפות האלקטרונים מתאימה לערך השברי 5/2 . הניסוי הזה מאשש את התחזית כי הפרמיונים המרוכבים הינם פרמיוני מאיורנה בעלי המטען השבור, שלהם השלכות אפשריות על מחשוב קוונטי.
ד”ר אייזנשטיין היה שותף לגילוי מצב הול הקוונטי השברי המתאים לערך 5/2 , והמשיך לחקור פאזות אקזוטיות של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות. מחקריו כוללים גילוי של מצב אנאיזוטרופי שבו ההתנגדות הנמדדת לאורך כיוון מסוים גדולה באופן משמעותי מההתנגדות בכיוון המאונך לו, תופעה המזכירה גביש נוזלי. השיטות שפיתח ד”ר אייזנשטיין להפרדת שכבות מגע של אלקטרונים בודדים, אפשרו להבין את התנועה המתואמת של זוגות אלקטרון-חור בשתי השכבות. באופן כזה הוא ראה בניסוי את עיבוי בוז-איינשטיין, תצפית פורצת דרך בתחומה.
הענקת פרס וולף לשנת 2025 לשלושת הפיזיקאים האלה מהווה הכרה בתרומותיהם יוצאות הדופן לחקר חומרים קוונטיים, והשפעותיהן מרחיקות הלכת על טכנולוגיות קוונטיות מתפתחות.

מרטין ריס

חתן פרס וולף בפיזיקה 2024

מרטין ריס 

 

שייכות בעת הענקת הפרס:

אוניברסיטת קיימברידג', אנגליה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומותיו החלוציות לאסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות, יצירת גלקסיות ומבנים ביקום, וקוסמולוגיה".

 

שותפים לפרס:

ללא שותפים

 

לורד מרטין ריס Lord Martin Rees (נולד באנגליה בשנת 1942) הוא אחד מן הפיזיקאים התיאורטיקנים הידועים ביותר בני זמנינו שלו תרומות מדעיות רבות, פורצות דרך, בתחום האסטרופיזיקה, החל מקוסמולוגיה ותהליכי יצירת כוכבים וגלקסיות ביקום הקדום, ועד לתהליכים בסיסיים בתחום האסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות, יצירה והתפתחות של חורים שחורים מאסיביים במרכזי גלקסיות, והדרך בה נעים ומתפרקים כוכבים בסביבתם של חורים שחורים כאלה. תרומות אלה עצבו את תמונת היקום בו אנו חיים.
כסטודנט וחוקר צעיר בעל רקע רחב במתמטיקה גילה ריס עניין רב בתחום האסטרופיזיקה אשר היה, בשנים ההן, מן התחומים המתפתחים ביותר של המדע והניב שפע של תופעות ותצפיות חדשות שחלקן הגדול המתין עדיין להסבר. משרתו הראשונה כפרופסור באוניברסיטת סאסקס שבאנגליה בשנת 1973, הובילה את ריס מאוחר יותר למכון האסטרונומי בקיימברידג' שם כיהן במשרה היוקרתית של פרופסור-פלומיאן לאסטרונומיה ולפילוסופיה, והיה מנהלו של המכון והמאסטר של טריניטי-קולג'. מאוחר יותר התקבל ריס כחבר בחברה המלכותית (האקדמיה הבריטית למדעים) וכיהן כנשיא החברה במשך עשור. בשנת 2005 התקבל ריס לבית הלורדים הבריטי והחל משנת 1995 הוא נושא בתואר הכבוד "האסטרונום המלכותי (Astronomer Royal) של הממלכה המאוחדת" .
עבודותיו ותגליותיו של מרטין ריס עיצבו במידה רבה את הבנת היקום בו אנו חיים. בתחום הקוסמולוגיה הוא ידוע כראשון שהציע מדידות קיטוב של קרינת הרקע הקוסמית כמכשיר מרכזי לפענוח מקור התנודות המרחביות של קרינה זו, וכמפתח להבנת תהליכי יסוד ביקום הקדום. הוא היה גם מאבות התחום הידוע היום כקוסמולוגיה של קרינת 21 ס"מ מאטומי מימן ניטרלי – מכשיר מרכזי להבנת היקום בתקופה שקדמה ליצירת הכוכבים הראשונים. עבודות נוספות של ריס הקשורות ליקום הצעיר נוגעות בתהליכי היצירה של הכוכבים הראשונים והגלקסיות הראשונות. ריס פעל ופרסם רבות בתחום האסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות. הוא חקר והסביר התפרצויות קוסמיות בתחום קרינת גמא הנגרמות על ידי התמזגות כוכבי ניוטרונים והתפוצצויות סופר נובות. הוא הציע גם מנגנונים ייחודיים להסבר תופעת סילוני הגז היחסותי הנצפים בגלקסיות רדיו ענקיות. עבודותיו התיאורטיות אושרו בהמשך על ידי מצפי רדיו חדישים וטלסקופי חלל בתחום קרינת גמא. תחום מרכזי נוסף בו עסק ריס במשך שנים רבות הוא מחקר תיאורטי של חורים שחורים מסיביים במרכזי גלקסיות. הוא הציע מנגנונים שונים ליצירת חורים שחורים כאלה, לגידולם והתפתחותם בזמן, ולדרך בה התפתחות זו משפיעה על התפתחות הגלקסיות בהן הם שוכנים. תחזיותיו השונות נצפו ואושרו באמצעות טלסקופי ענק מתקדמים על הקרקע ובחלל. תהליכים אחרים אותם חקר והסביר ריס הם התנגשויות ומיזוגים של חורים שחורים ותהליכי קריעה והשמדה של כוכבים בודדים עקב כוחות גאות ושפל בסביבתם של חורים שחורים מסיביים.
פרופסור ריס ידוע כבעל יכולת נדירה להסביר נושאים מדעיים סבוכים לקהל הרחב. במשך השנים הוא נשא מאות הרצאות וראיונות ופרסם מספר רב של מאמרים וספרים פופולאריים בנושאים של מדע בן זמנינו. כותרת ספרו האחרון משנת 2022 היא "אם המדע יוכל להציל אותנו" (If Science is to Save Us). בשנים האחרונות הוא משקיע חלק ניכר מזמנו בקידום נושאי קיימות, שימור הסביבה ועתידו של המין האנושי. בין השאר הוא היה אחד ממייסדי המכון הרב-תחומי של אוניברסיטת קיימברידג' לחקר סיכון קיומי ולטיפוח קהילה גלובלית להגנת המין האנושי.
פרס וולף מוענק למרטין ריס על תרומות חלוציות בעיצוב תמונת היקום בת זמנינו. תרומותיו הבולטות נעות מאסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות לרבות מנגנונים להתפרצויות קרני גמא, סילוני רדיו רבי עוצמה ויצירת חורים שחורים בגרעיני גלקסיות, ועד להבנת הפיזיקה של הכוכבים הראשונים, והיווצרות המבנים הגדולים והגלקסיות הראשונות בתום "העידן האפל". הוא היה הראשון שהציע מדידות קיטוב ככלי לחקר מקורן של התנודות בקרינת הרקע הקוסמית (CMB) והיה מיוזמי תחום הקוסמולוגיה של 21 ס"מ.

פרנץ קראוס

זוכה פרס וולף בפיזיקה 2022

פרנץ קראוס

שייכות בעת הענקת הפרס:

מכון מקס פלאנק לאופטיקה קוונטית, גרמניה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומות חלוציות למדע הלייזר האולטרה-מהיר ולפיזיקה של אטו-שניות".

 

שותפים לפרס:

פרנץ קראוס

אן ל'הולייר

פול ברוס קוֹרְקְם

 

"על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים. שלושת הזוכים תרמו תרומות מכריעות הן לפיתוח הטכנולוגיה של פיזיקת האטו-שניות והן ליישומה לצרכי מחקר בסיסי בתחום הפיזיקה".

 

קראוס, פיזיקאי הונגרי-אוסטרי שצוות המחקר שלו היה הראשון לייצר ולמדוד פולס אור של מספר אטו-שניות בו השתמש בהמשך למעקב אחר תנועת של אלקטרונים בתוך אטום.

קראוס קיבל תואר שני בהנדסת חשמל בשנת 1985 באוניברסיטת בודפשט לטכנולוגיה. את הדוקטורט שלו באלקטרוניקה קוונטית מהאוניברסיטה הטכנולוגית של וינה השלים בהצטיינות בשנת 1991 , ואת הפוסט דוקטורט שלו סיים באותה אוניברסיטה בשנת 1993 . בשנת 1998 הוא הצטרף למחלקה להנדסת חשמל באותה האוניברסיטה והועלה לדרגת פרופסור מן המניין שנה לאחר מכן. בשנת 2003 הוא מונה למנהל במכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית בגרשינג (Garching), גרמניה. החל משנת 2004 הוא מכהן גם כפרופסור לפיזיקה ויו"ר קבוצת הפיזיקה הניסויית באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן שבמינכן.

קראוס התעניין תמיד בחקר ממדים קטנים יותר ויותר של מרחב וזמן. עוד בתחילת שנות ה- 90, כשעבד על הדוקטורט שלו באוניברסיטה הטכנולוגית של וינה, הוא התרשם מהרעיון לעשות זאת על ידי שימוש בפולסי אור קצרים של לייזרים פועמים חדישים. פעימות האטו-שניות הראשונות נוצרו ונמדדו על ידי קראוס וקבוצת המחקר שלו בתחילת שנות ה- 2000. עבודה זו אפשרה לו לבצע, בפעם הראשונה, תצפיות בזמן אמת של תנועות אלקטרונים בתוך אטומים. כיום אנו משתמשים בפולסים כאלה כדי להבין טוב יותר, וגם לשנות, תהליכים מיקרוסקופיים שונים באטומים ומולקולות.

עבודת המחקר של קראוס במכון מקס פלאנק כוללת מספר יישומים חדשים ומלהיבים. יחד עם קבוצת המחקר שלו, הוא מנסה להשתמש בטכנולוגיה של פמטו-שנייה ואטו-שניה כדי לנתח דגימות דם ולזהות שינויים זעירים בהרכבן. מטרת המחקר היא לבדוק האם שינויים כאלה יכולים לאפשר אבחון מדויק של מחלות כבר בשלביהן הראשונים.

פרנץ קראוס הראה כי משכי הפעימות ההרמוניות הינם בתחום האטו-שניות. הוא תרם לבניית לייזר עם פעימות בנות מספר מחזורים וחקר את התלות בזמן של תהליכים פיזיקליים רבים באטומים ומולקולות.
קראוס הבין את ההיתכנות של ניסויים עם רזולצית זמן בתחום האטו-שניות. הדבר אפשר לעקוב אחר תהליך הפוטו-יינון בזמן אמת והוכיח ניסויית את מה שידוע כ"עיכוב וויגנר" בתהליך פליטת אלקטרונים מאטומים ומולקולות כתוצאה מאינטראקציה עם פוטונים

 

 

אן ל'הולייר

כלת פרס וולף בפיזיקה 2022

אן ל'הולייר

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת לונד, שוודיה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומות חלוציות למדע הלייזר האולטרה-מהיר ולפיזיקה של אטו-שניות".

 

שותפים לפרס:

אן ל'הולייר

פול ברוס קוֹרְקְם

פרנץ קראוס

 

"על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים. שלושת הזוכים תרמו תרומות מכריעות הן לפיתוח הטכנולוגיה של פיזיקת האטו-שניות והן ליישומה לצרכי מחקר בסיסי בתחום הפיזיקה".

 

אן ל'הולייר, נולדה בפריז ומכהנת היום כפרופסור לפיזיקה אטומית באוניברסיטת לונד שבשוודיה, שם היא מובילה את ממחקריה פורצי הדרך. ל'הולייר עוסקת בתחום של פעימות (פולסים) של לייזרים מהירים ועבודתה מתמקדת באינטראקציה בין פעימות אור קצרות ואינטנסיביות לאטומים. לדבריה, אחד ממקורות ההשראה שלה, בימי ילדותה, הייתה "אפולו 11", משימת החלל הראשונה להנחתת אדם על הירח, בשנת 1969. היא הושפעה רבות גם מסבה, שהיה פרופסור להנדסת חשמל ועבד על תקשורת
בתחום הרדיו. אלה ואחרים הביאו להתלהבותה הרבה ממדע וטכנולוגיה כבר בגיל צעיר, מה שהפך אותה מאוחר יותר למדענית בולטת ומנהיגה בתחום הפיזיקה של אטו-שניות.

לל'הולייר תואר ראשון במתמטיקה ותואר שני כפול בפיזיקה תיאורטית ומתמטיקה מאוניברסיטת פייר ומארי קירי בפריז. בהמשך, שינתה כיוון לתחום הפיזיקה הניסויית ואת הדוקטורט השלימה בשנת 1986 , באוניברסיטת פייר השישי. את פוסט הדוקטורט שלה רכשה ל'הולייר בשנת 1986 במכון צ'למרס לטכנולוגיה שבגטבורג, שוודיה, וקיבלה משרה קבועה כחוקרת ב- (CEA) French Alternative Energies and Atomic Energy Commission. בשנת 1987 השתתפה ל'הולייר בניסוי בו נצפו לראשונה הרמוניות גבוהות באמצעות מערכת לייזר פיקו-שנייה. היא הוקסמה מהניסוי והחליטה להקדיש את זמנה לעבודה בתחום מחקר זה. בשנת 1988 המשיכה את הפוסט דוקטורט שלה באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס. בהמשך עברה לאוניברסיטת לונד שבשוודיה שם הפכה לפרופסור מן המניין בשנת 1997. ב 2004- נבחרה ל'הולייר לחברה באקדמיה המלכותית השוודית למדעים.

אן ל'הולייר זוכה בפרס על היותה בין הראשונים להדגים באופן נסיוני יצירה של הרמוניות גבוהות, התהליך הגורם ליצירת פעימות של אטו-שניות, ותרמה משמעותית לפיתוח ההסבר התיאורטי של תהליך זה. היא גם ביצעה מספר ניסויים מכריעים אשר שיפרו את ההבנה של התהליך והייתה שחקנית מפתח ביצירת תחום המחקר של מדע האטו-שניות.

 

פול ברוס קוֹרְקְם

חתן פרס וולף בפיזיקה 2022

פול ברוס קוֹרְקְם

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת אוטווה, קנדה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומות חלוציות למדע הלייזר האולטרה-מהיר ולפיזיקה של אטו-שניות".

 

שותפים לפרס:

פול ברוס קוֹרְקְם

פרנץ קראוס

אן ל'הולייר

 

"על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים. שלושת הזוכים תרמו תרומות מכריעות הן לפיתוח הטכנולוגיה של פיזיקת האטו-שניות והן ליישומה לצרכי מחקר בסיסי בתחום הפיזיקה".

 

קורקם, פיזיקאי קנדי, מנהיג וחלוץ בתחום ספקטרוסקופיית לייזר אולטרה-מהירה. עבודתו המדעית במשך שלושה עשורים היוותה מקור לתובנות משמעותיות שהובילו לפריצות הדרך האחרונות בתחום זה. קורקם ידוע בעיקר בזכות תרומתו יוצאת הדופן לתחום יצירת הרמוניות גבוהות ובניית מודלים אינטואיטיביים שתרמו להסבר התופעות המורכבות של הספקטרוסקופיה של אטו-שניות.

קורקם נוהג לציין שהוא חב את הקריירה שלו למורה לפיזיקה שלו מהתיכון, אנתוני קנט, אשר דחף אותו להוכיח כל דבר. לדבריו, זה בדיוק מה שפיזקאי אמור ורוצה לעשות. קורקם גדל בסנט ג'ון, ניו ברונסוויק, עיר נמל קטנה בחוף המזרחי של קנדה. כבנו של דייג וקפטן ספינת גרר, הוא בילה הרבה מזמנו סביב לסירות, מפליג עם אביו, לומד ומתקן סוגי מנועים שונים. הוא החל את הקריירה שלו כפיזיקאי תיאורטי והשלים את עבודת הדוקטורט בפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת להיי (Lehigh) שבפנסילבניה, בשנת 1973 . כאשר נשאל במהלך ראיון לפוסט-דוקטורט במועצה הלאומית למחקר של קנדה (NRC) "מדוע אתה חושב שאתה יכול לעסוק גם בפיזיקה ניסויית?" יכול היה לענות על כך בבטחון כשהוא מסתמך על ניסיון הילדות שלו: "זו לא בעיה כלל. אני יכול לפרק לגמרי מנוע של מכונית, לתקן אותו ולהרכיב אותו בחזרה כך שזה יעבוד". הוא התקבל כחוקר מן המניין ובנה ב- NRC את אחת הקבוצות המפורסמות בעולם בתחום האטו-שניות. כיום, קוֹרְקְם מכהן כראש קתדרה למחקר באוניברסיטת אוטווה שבקנדה ומנהל את המעבדה לאטו-שנייה המשותפת ל- NRC ולאוניברסיטת אוטווה. קורקם הוא חבר האגודות המלכותיות של לונדון ושל קנדה וחבר-זר באקדמיה הלאומית למדע של ארה"ב, האקדמיה למדעים האוסטרית, והאקדמיה הרוסית למדעים.

פול קורקם ביסס את ההבנה של יצירת הרמוניות גבוהות בעזרת פיתוח מודל התנגשות חוזרת סמי-קלאסי. במסגרת מודל זה אלקטרון עובר מנהור בהשפעת שדה לייזר חזק, מואץ על ידי השדה ולבסוף עובר התנגשות עם היון המלווה בפליטה של הרמוניות גבוהות. ספקטרום ההרמוניות הנפלט רגיש לשינוי בזמן של המבנה האטומי או המולקולרי. הספקטרוסקופיה ההרמונית אפשרה לו להדגים את האפשרות לקבל תמונה של אורביטל מולקולרי בעזרת הליך שיחזור טומוגראפי.

 

ג'ורג'יו פריזי

חתן פרס וולף בפיזיקה 2021

ג'ורג'יו פריזי

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת רומא- ספיאנצה, איטלה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תגליותיו פורצות הדרך במערכות לא מסודרות, פיזיקה של חלקיקים ופיזיקה סטטיסטית".

 

שותפים לפרס:

ללא שותפים

 

ג'ורג'יו פריזי, פרופסור לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת רומא- ספיאנצה ‘‘La Sapienza’’ , אשר מחקריו מתמקדים בתורת שדות קוונטים, מכניקה סטטיסטית ומערכות מורכבות.

מגיל צעיר, אביו של פריזי עודד אותו לעסוק ולהתפתח בתחום ההנדסה. אך לפריזי אשר מילדות גילה עניין רב ויכולת חזקה במתמטיקה היות שאיפות אחרות. פריזי הוקסם מהתיאורים שקרא בספרי מדע פופולרי ומדע בדיוני ומן ההרפתקנות שבמחקר וראה בפיזיקה את התחום בו ניתן למלא את האתגר האינטלקטואלי שלו ברמה הגבוהה ביותר. את לימודיו בפיזיקה סיים פריזי בשנת 1970 בזמן קצר ביותר שניתן, בהנחייתו של פרופ. ניקולה קביבבו. הישגיו של פריזי משתרעים על תחומים רבים בפיזיקה המודרנית ואף בתחום המודלים הביולוגיים. פריזי הוא מחברם של ספרים ומאמרים רבים ורעיונות שפתחו תחומי מחקר חדשים ואלפי מדענים מדי שנה מסתמכים על מכלול הרעיונות שפריזי הציג במחקריו.

פרס וולף לפיזיקה מוענק לג'ורג'יו פריזי על היותו אחד מהפיזיקאים התיאורטיים היצירתיים והמשפיעים ביותר בעשורים האחרונים. לעבודתו נודעת השפעה רבה על מגוון ענפים של מדעי הפיזיקה, לרבות פיזיקה של חלקיקים, תופעות קריטיות, מערכות לא מסודרות וכן תיאוריית האופטימיזציה ופיזיקה מתמטית. ב-1977, יחד עם אלטרלי, פריזי גילה את משוואת ההתפתחות המאפשרת לחשב במדויק כיצד קוורקים ו-גלואונים מתפלגים בפרוטון ובגרעין (שניהם התגלו בנפרד על-ידי יו ל. דוקשיתצר). עבודתו של פריזי היוותה מרכיב חיוני בניתוח המבנה היסודי של החומר בקנה המידה הקטן ביותר של המרחק שניתן לביצוע באמצעות פיזור עתיר-אנרגיה של חלקיקים אלמנטריים. התוצאות שאליהן הגיע שימשו בהכנת ובניתוח של ניסויים שבוצעו ב-Large-Hardon Collider (LHC), חיפושי חומר אפל ומשמשות כיום בתכנון ניסויים ב-Future Circular Collider.

בשורה נוספת של עבודות ראשוניות שביצע בין 1979 ל-1984, פריזי הציג את הקונספט של "שבירת הסימטריה של ההעתק" (Replica Symmetry Breaking) ויישם אותו למודלים של זכוכית ספין (המודל של שרינגטון-קירקפטריק) שבו לא קיים שום פרמטר סדר פשוט. האינטואיציה המדהימה שלו הובילה את פריזי לגילוי האופי הלא-ארגודי  של שלב הפרוסטרציה  בזכוכית ספין  שבו מתקיימים במקביל הרבה מצבים טהורים שאינם קשורים זה לזה באמצעות סימטריה,  זאת במבנה אולטרה-מטרי  שהנו לא-טריוויאלי במובהק. ההצעה של פריזי לארגון מחדש של החומר גרמה לשינוי דרך החשיבה בפיזיקה סטטיסטית והובילה ליישומים רבים במערכות לא מסודרות אחרות כגון זכוכית מבנית, רשתות עצביות ותיאורית אופטימיזציה קומבינטורית.

העבודה החדשנית ביותר שעשה יחד עם סורלאס (Sourlas) בחקר מעברי פאזה קוונטיים פתחה את האפשרות לזיהוי של מימוש בפועל של סימטריה הקרויה סופר-סימטריה במערכות חומר מעובה.

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.

פבלו חרייו-הררו

חתן פרס וולף בפיזיקה 2020

פבלו חרייו-הררו

 

שייכות בעת מתן הפרס:

מכון מסצ'וסטס לטכנולוגיה(MIT), ארה"ב

 

נימוק למתן הפרס:

"על עבודתם החלוצית בתיאוריה וניסוי של גרפן דו-שכבתי מסובב"

 

שותפים לפרס:

פבלו חרייו-הררו

אלן ה. מקדונלד

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"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. חרייו-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.

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.

פבלו חרייו-הררו (יליד 1976, ולנסיה, ספרד) הוא פיזיקאי בתחום החומר המעובה ומחקרו עוסק בתחום ההובלה האלקטרונית הקוונטית ואלקטרואופטיקה בחומרים דו מימדיים חדשים. המעבדה שלו חוקרת את תכונות מוליכות העל שלהם, ואת תכונותיהם המגטיות והטופולוגיות. חרייו-הררו הצטרף ל- MIT בשנת 2008 ומכהן כפרופסור מן המניין משנת 2018. הוא קיבל את "licenciatura" שלו בפיזיקה מאוניברסיטת ולנסיה בספרד בשנת 1999; תואר שני במדעים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו בשנת 2001; והדוקטורט שלו מאוניברסיטת הטכנולוגיה של דלפט בהולנד, בשנת 2005.