הפיזיקאי שגישר על פערי הגודל

פרס וולף הוא הפרס המדעי היוקרתי ביותר המוענק בישראל, אבל משנת 2000 זכו בו רק עשרה מדענים ישראלים. חלקם זכו להכרה ופרסום ושמם מוכר לכל, כמו עדה יונת, אברהם הרשקו או חיים סידר ואהרון רזין. אחרים נותרו אלמונים יחסית לציבור הרחב, ומוכרים בעיקר בקהילה המדעית על תרומתם החשובה לתחומם. אחד מהם הוא הפיזיקאי יוסף אמרי, שהלך השבוע לעולמו.

מהשריון לגרעין

יוסף (ג'ו) אִמְרִי נולד בתל אביב ב-1939. שני הוריו היו מורים: אביו לימד מתמטיקה, פיזיקה ואלקטרוניקה ואמו לימדה אנגלית וצרפתית. "בבית הייתה אווירה מעודדת למדע ולרכישת ידע", סיפר בקבלת פרס ישראל בחקר הפיזיקה. בצעירותו נמשך אמרי לתחום הטיסה והאווירונאוטיקה, והיה משוכנע שילמד הנדסה ויעסוק בתכנון מטוסים. "מעולם לא חשבתי שאהיה מדען", סיפר לאתר מכון ויצמן למדע. למרות זאת, בהחלטה של רגע, בחר ללמוד פיזיקה במסגרת העתודה האקדמית באוניברסיטה העברית, במסלול ישיר לתואר שני. הוא העיד על עצמו שהיה תלמיד בינוני, אבל הבריק בבחינות הסיום וסיים את הלימודים בהצטיינות יתרה. ב-1961 התגייס לצה"ל, והוצב בחיל השריון. הוא היה מדריך תותחנות, אך לפתע הועבר מתפקידו ונשלח לשרת במרכז למחקר גרעיני, בהוראת הפיזיקאי יובל נאמן, שהתרשם מיכולותיו.

אמרי סיים את שירות החובה שלו במרכז למחקר גרעיני, והמשיך לעבוד בו כאזרח. מנהל המרכז היה פרופ' ישראל פלח, ואמרי בחר לעשות דוקטורט בהנחייתו, אף על פי שפלח היה פיזיקאי ניסויי, והוא עצמו התעניין יותר בפיזיקה עיונית. הוא סיפר בראיון לאתר מכון ויצמן כי את ההחלטה להמשיך לדוקטורט קיבל בעקבות הרצאה של פיזיקאי ידוע. "חשבתי שכל קו המחשבה שהמרצה הציג איננו שלם, והייתי משוכנע שלי יש דרך חדשה לחשוב על הנושא, אשר שמה דגש על מערכות קטנות. קהיליית המחקר האמינה שמערכות קטנות כאלו – ברמת הננו – אינן חשובות בפיסיקה. אז ביליתי את שלוש השנים הבאות בעבודה על מאמר שיסתור תפיסה זו".

ב-1966 קיבל אמרי תואר דוקטור ממכון ויצמן למדע, ויצא להשתלמות באוניברסיטת קורנל בארצות הברית. בשובו לארץ הזמין אותו יובל נאמן להצטרף לאוניברסיטת תל אביב, שם עבד ולימד במשך 17 שנים. מחקריו היו חלוציים בתחום המזוסקופיה (mesoscopy) – התחום המגשר בין מערכות זעירות למערכות גדולות.

מקטן עד גדול

תיאוריות רבות בפיזיקה מצליחות לתאר היטב תהליכים, אבל רק בסדר גודל מסוים. למשל, חוקי ניוטון מתארים היטב תנועה של גופים בטווחים השימושיים לנו. אבל אם הגופים האלה קטנים מאוד, למשל אטום יחיד, או שמהירותם מתקרבת למהירות האור, חוקי ניוטון כבר אינם חלים עליהם והם נתונים להשפעתם של חוקי המכניקה הקוונטית.

המערכות המזוסקופיות קטנות מספיק כדי שיושפעו מתופעות קוונטיות, אך גדולות מספיק כדי שיהיה אפשר למדוד אותן בכלים מקובלים, כמו מדידות של זרם חשמלי ומתח חשמלי. כבר במאמרו הראשון בתחום, ב-1969, הציע אמרי שיטה לביצוע מדידה כזו. אלא שאז לא היו הכלים הטכנולוגיים לבצע מדידות כאלה.

התפתחותה המסחררת של המיקרואלקטרוניקה איפשרה לבנות מערכות גילוי וחישה קטנות יותר ויותר, ההופכות את הגישור בין שני העולמות לאפשרי. אחת הדוגמאות הבולטות לגישור כזה היא תחום המיחשוב הקוונטי, המתקדם במהירות מסחררת. במחשב כזה יש צורך בגישור בין התופעות הקוונטיות שעומדות בבסיס החישוב והזיכרון שלו, ולבין מערכות מסדרי גודל גדולים יותר, למשל מערכת חשמלית למדידת התוצאות של החישובים הקוונטיים. פיתוחים כאלה מבוססים על תיאוריות שפיתח אמרי.

מחקריו של אמרי עסקו בתחומים שונים בפיזיקה, ורבים מהם התחברו בסופו של דבר לתחום המזוסקופיה. בין השאר הוא עסק בחקר התכונות של על-מוליכות, בעיקר במערכות שבהן התופעה אינה קבועה, אלא מופיעה ונעלמת חליפות. הוא חקר כיצד היא משתנה עם הטמפרטורה ועם שינוי בגודל המערכת.

כמו כן הוא חקר את התהליכים של שינויי מצב צבירה, וכיצד הם מושפעים מגודלה של המערכת. בין השאר הוא פיתח עם עמיתיו תיאוריה המסבירה את מצב הצבירה המיוחד של זכוכית, על פי הדינמיקה של האלקטרונים באטומים המרכיבים אותה. מחקריו עסקו גם בתופעות של הולכה חשמלית ושל שדות מגנטיים, ושוב – בהקשר המזוסקופי, כיצד תופעות אלה משתנות במעבר בין המערכות מסדרי הגודל השונים.

"העניין וההתרגשות הרבה שעוררה הפיזיקה המזוסקופית בעשרים השנים האחרונות נבעו מכך שבסקאלות הביניים המזוסקופיות (בדרך כלל גדלים של כעשרות עד עשרות אלפי אטומים) אפשר לבדוק את המערכת באמצעים מקרוסקופיים רגילים (כגון מכשירי מדידה חשמליים), אולם את התכונות שהם יגלו יכתיבו החוקים המיקרוסקופיים, דהיינו אותם חוקים השולטים בפיזיקה אטומית ומולקולרית", כתב אמרי בביטאון האקדמיה הלאומית למדעים, עם קבלתו לשורות האקדמיה ב-2002. "[...] המערכות המזוסקופיות מספקות לנו מעבדה שבה נוכל לבדוק עקרונות יסוד של הפיזיקה הקוונטית על ידי ניסויים שאינם מסובכים מדי".

פיזיקאי בעל ראיית נולד מרשימה שמחקריו נמצאים בחוד החנית של מספר תחומים. יוסף אמרי | צילום: ויקיפדיה, Tzahy Lerner
 

הקדים את זמנו

אמרי היה למעשה אחד ממייסדי תחום המזוסקופיה וממוביליו בעולם במשך שנים רבות. רבים מהחיזויים שלו בנוגע למערכות כאלה התאמתו כעבור שנים אחדות כשנבדקו בניסויים עם טכנולוגיה שאיפשרה זאת, ומחקריו הרבים  הניחו את היסודות להתפתחויות בתחומי הננו-טכנולוגיה ויישומיה. ב-1986 עבר מאוניברסיטת תל אביב למכון ויצמן למדע, והוביל את הקמת המרכז למחקר תת-מיקרוני ואת המחלקה לפיזיקה של חומר מעובה.

אמרי זכה על מחקריו בפרסים יוקרתיים רבים, בהם פרס רוטשילד (1996), פרס ישראל (2001), פרס א.מ.ת (2006) ופרס וולף (2016). כמו כן הוא היה חבר האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים וחבר זר באקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית (2008). "אמרי יצר, פיתח והוביל מושגי יסוד בתחום מחקר זה אשר מהווה את הבסיס המדעי לננו-מדע ולננו טכנולוגיה של היום", נכתב בנימוקי ועדת השיפוט של פרס וולף, שהעניקה לו את הפרס. "הוא פיזיקאי בעל ראיית נולד מרשימה, לעיתים שנים לפני זמנו, שמחקריו נמצאים בחוד החנית של מספר תחומים בפיזיקה".