מגזין הטכניון | אביב 2025

13 ב גילה פרופ' דן שכטמן 1982 באפריל 8 - מהטכניון את התופעה שתזכה אותו ): הגביש 2011( לימים בפרס נובל בכימיה הקוואזי-מחזורי. צורה זו של חומר נחשבה בלתי אפשרית, ונדרשו שנים רבות כדי לשכנע את הקהילה המדעית באמיתותה של התגלית. הפיזיקאים הראשונים שהצליחו להסביר את התגלית הניסויית במונחים תאורטיים היו פרופ' דב לוין, אז דוקטורנט באוניברסיטת פנסילבניה וכיום חבר סגל בפקולטה לפיזיקה בטכניון, והמנחהשלו, פרופ' פול סטיינהארט. התובנה המרכזית שאפשרה את ההסבר הייתה שקוואזי גבישים הם למעשה גבישים רגילים - אבל בממד גבוה יותר משלושת הממדים שקיימים במציאות. צורת הגביש שאנחנו רואים במציאות נובעת ישירות מה''גביש'' בממד הגבוה, בדומה לצל של גוף תלת ממדי המוטל על מישור. תובנה זו הסתמכה על תגלית מוקדמת יותר של המתמטיקאי הבריטי רוג'ר פנרוז, לימים גם הוא חתן פרס נובל ), ונגעה לאפשרות לריצוף מלא של 2020 ; (פיזיקה מישור באריחים משני סוגים בלבד. התגלית זכתה לשם "ריצוף פנרוז", שאותו טבע ניקולס דה ברוין, שגם הסביר כיצד הריצוף של פנרוז משתמש למעשה באריח בודד בממד גבוה יותר. , שופכים Science כעת, במאמר בכתב העת היוקרתי חוקרי הטכניון אור חדש על התופעות האמורות. את המחקר הובילו פרופ' גיא ברטל מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי בטכניון וד"ר אחרי דוקטורט MIT שי צסס, כיום פוסט-דוקטורנט ב- בהנחייתו של פרופ' ברטל. מראים החוקרים כי לא זו Science במאמרם ב- בלבד שהגביש הארבעה-ממדי מכתיב את התכונות המכניות של גבישים קוואזי-מחזוריים - הוא מכתיב גם את תכונותיהם הטופולוגיות, כלומר את אותן תכונות שאינן משתנות גם לאחר עיוות החומר (מתיחה, פיתול וכו'). קשה מאוד לדמיין מרחב ארבעה-ממדי, זאת משום שאנו רגילים לתפוס את העולם סביבנו כמרחב תלת- ממדי, וקשה אף יותר למדוד אותו. אז איך מאששים תאוריה שאי אפשר למדוד? במאמרם השתמשו החוקרים בטכנולוגיית "מיקרוסקופיית שדה קרוב" כדי למדוד תבניות שדה קוואזי-מחזוריות שנוצרו על ידי גלים משטחיים - גלי רפאים שאינם מתגלים במיקרוסקופים סטנדרטיים. בעזרת שליטה בגלים משטחיים, ה"חיים" על השפה של פרוסת זהב, החוקרים ייצרו תבניות שונות שכל אחת מהן מייצגת מבנה ארבעה-ממדי בעל טופולוגיה שונה. להפתעתם, בעוד שבמדידה התבניות נראו כמעט זהות וללא יכולת להבדיל בין התכונות הטופולוגיות שלהם, ניתוחם בממדיות הגבוהה חשף את האפיון הטופולוגי המיוחד לכל אחת מהן. החוקרים בחנו דפוסי התאבכות קוואזי-מחזוריים של גלי שטח אלקטרומגנטיים וגילו למרבה ההפתעה כי אף שהדפוסים נראו שונים, לא היה אפשר להבדיל ביניהם על ידי מדידת תכונות טופולוגיות בדו-ממד. האבחנה בין הדפוסים, הם גילו, הייתה אפשרית רק על סמך הגביש הארבעה-ממדי המקורי. זוהי התצפית הראשונה בהיסטוריה בטופולוגיה ארבעה- ממדית המופיעה באופן טבעי במערכת פיזיקלית, זאת אחרי ממצאים דומים במערכים מהונדסים. החוקרים גילו תופעה נוספת: שני דפוסים שונים טופולוגית של גלי שטח נראו זהים לחלוטין אם נמדדו בהפרש זמן נתון. הפרש זמן זה היה קצר מאוד ונמדד באטו-שניות - מיליארדית של מיליארדית השנייה. התאוריה המקורית של לוין, סטיינהארט ופר בק מסבירה תופעה זו במעין תחרות בין התכונות הטופולוגיות של הגבישים לבין תכונותיהם התרמודינמיות (האנרגטיות). הממצאים הושגו בשתי שיטות - מיקרוסקופיית Near-field scanning optical שדה קרוב ( ) במעבדתו של גיא ברטל על ידי ד"ר microscopy two-photon קובי כהן ומיקרוסקופיית אלקטרונים ( ,) photoemission electron microscopy שנמדדה בשיתוף פעולה בין אוניברסיטת שטוטגרט בגרמניה. הגילויים Duisburg-Essen ואוניברסיטת המוצגים במאמר סוללים דרך חדשה למדידת התכונות התרמודינמיות של גבישים קוואזי- מחזוריים, ואכן, בעתיד הקרוב מתכוונים החוקרים להרחיב את ממצאיהם למערכות פיזיקליות נוספות ולהעמיק בחקר יחסי הגומלין בין תכונות תרמודינמיות וטופולוגיות. הם מעריכים שבאופן זה יהיה אפשר לגלות ארכיטקטורות חדשות להצפנה, העברה ופענוח של מידע. לאחר שהתגלו בטכניון והובילו לפרס נובל: פריצת דרך נוספת בטכניון בתחום הקוואזי-גבישים באיור מימין: טסרקט (קובייה ארבעה-ממדית) וה"צל" שהוא מטיל על מישור - הקוואזי-גביש שגילה שכטמן. לדברי פרופ' ברטל, "העובדה שקוואזי-גביש הוא "צל" של גביש מחזורי בממד גבוה אינה חדשה כשלעצמה. אנחנו גילינו שההטלה היא גם של תכונות טופולוגיות כמו חורים, עיוותים או מערבולות" https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2495 : למאמר