חלוץ בתחום הננוטכנולוגיה

פרס וולף בפיסיקה לשנת 2016 יוענק לפרופ' יוסף (ג'ו) אמרי, פרופ' אמריטוס במחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן, וחלוץ בתחום של פיסיקה של מערכות מזוסקופית– מערכות קטנות בהרבה מחפצים יום-יומיים אך גדולות יותר מאטומים, – ומערכות אקראיות. טקס הענקת הפרס, במעמד נשיא המדינה, מר ראובן ריבלין, יתקיים בכנסת ב-2 ביוני.

שמות הזוכים הוכרזו ב- 13 בינואר על ידי שר החינוך ויו"ר קרן וולף, ח"כ נפתלי בנט; וחתן פרס נובל פרופ' דן שכטמן, סגן יו"ר קרן וולף וחתן פרס וולף בעבר. חמישה פרסים, בסך 100 אלף דולר כל אחד, יתחלקו השנה בין שבעה זוכים משלוש מדינות: ישראל, ארה"ב וקנדה. פרופ' אמרי הינו הזוכה היחיד מישראל.

מנחל שורק למעבדה

בצעירותו, פרופ' אמרי נמשך מאוד למטוסים, ואף תכנן להיות מהנדס אווירונאוטיקה. "מעולם לא חשבתי שאהיה מדען" הוא אומר. אבל כסטודנט לתואר שני בפיסיקה באוניברסיטה העברית, תשובה יצירתית במיוחד שחיבר במבחן משכה את תשומת ליבו של אחד ממוריו, אשר אמר לצעיר שיש לו עתיד בתחום גם  באוניברסיטה העברית. לאחר שירות בצה"ל כקצין הדרכה בחיל השריון, החל לעבוד במרכז למחקר גרעיני בנחל שורק תחת החסות של הוועדה הישראלית לאנרגיה אטומית. בשורק עבד תחת פרופ' ישראל פלח, שהיה גם פרופסור לפיסיקה במכון ויצמן.

"נהניתי לעבוד עם ישראל ולכן החלטתי לעשות דוקטורט בהנחייתו," נזכר פרופ' אמרי. המחקר שלו התמקד בדינמיקה של פרוטונים במערכות מבוססות קשרי מימן. לקראת סיום לימודיו, בשנת 1966, הוא האזין להרצאה מפי פיסיקאי ידוע-שם. זה היה הרגע אשר התגבש רצונו להפוך לחוקר – אך לא משום שההרצאה הייתה מרשימה במיוחד, הוא אומר. "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," הוא אומר. "אז ביליתי את שלוש השנים הבאות בעבודה על מאמר שיסתור תפיסה זו." המאמר פורסם, בסופו של דבר, אך לדברי פרופ' אמרי, "הוא לא זכה להכרה משמעותית."

הוא המשיך למחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת קורנל בניו יורק ושב לישראל כאיש סגל באוניברסיטת תל אביב, בה עבד ב- 17 השנים הבאות. הוא הבין בשלב מוקדם שמערכות נַנוֹ רלוונטיות מאוד במזעורם העתידי של מכשירים אלקטרוניים. ב- 1986 הוא הצטרף למכון ויצמן למדע. כאן יזם והיה כח מניע בהקמת מרכז למחקר תת-מיקרוני על-שם ג'וזף ובל בראון והמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, וסייע למצב את מכון ויצמן כמוביל בין-לאומי בפיסיקה בתחום הננו, המהווה את הבסיס של הננוטכנולוגיה של היום.

עולם קטן עם השפעה עצומה

מכניקה קלאסית ותרמודינמיקה היו הפרדיגמות שתיארו את העולם הסובב אותנו עד לתחילת המאה העשרים. במהלך שלושת העשורים הראשונים של המאה העשרים, פותחה תורת הקוונטים על מנת לתאר תופעות שלא תאמו את המכניקה הקלאסית. בעוד התיאוריות הקלאסיות מתארות את העולם המאקרוסקופי של חפצים גדולים, התאוריה של מכניקת הקוונטים מתארת את העולם המיקרוסקופי של גרעינים, אטומים, ומולקולות קטנות.

מומחים בתחום שאלו את עצמם מגוון שאלות: היכן נמצא הגבול בין העולם המיקרוסקופי לזה המאקרוסקופי? כיצד המעבר בין העולמות בא לידי ביטוי? מה שולט בהתנהגות של מערכות בקנה המידה המזוסקופי – שבין מאקרו למיקרו? האם מתגלות בו תופעות חדשות? מהי חשיבותה של אקראיות הנוצרת על-ידי מספר חלקיקים גדול די הצורך שיש לו התנהגות בלתי-מאורגנת, אך קטן מכדי להעמיד התנהגות עם ממוצע סביר?

פרופ' אמרי היה בין האבות המייסדים של פיסיקה מזוסקופית, התחום שנוצר משאלות אלו. היה לו תפקיד מפתח בפיתוח העקרונות המרכזיים של דיסציפלינה זו, אשר משמשים כיום כיסודות של מחקר תחום הננו ושל הננו-טכנולוגיה. בקנה המידה המאקרוסקופי, השפעות קוונטיות ניתנות לצפייה רק במוליכי-על וסופר-נוזלים. פרופ' אמרי חזה כי בקני מידה מזוסקופיים, ניתן יהיה להבחין בתופעות קוונטיות גם במתכות רגילות. למשל, פרופ' אמרי ועמיתיו רולף לנדאואר ומרקוס בוטיקר, הוכיחו כי זרם חשמלי מתמיד וספונטני – זרם שאינו זקוק למקור אנרגיה כמו סוללה – יכול להתקיים בטבעות קטנות העשויות מחומרים מוליכים רגילים.

פרופ' אמרי גם סיפק תובנות פורצות-דרך בנוגע לפיסיקה של מעברי פאזה בין פאזות שונות של חומר. מחקריו בתחום מעברי פאזה במערכות סופיות וממדים נמוכים היו קריטיים להתפתחות הפיסיקה המזוסקופית. התיאוריה שלו אודות מעברי פאזה בשדות אקראיים, שפותחה יחד עם שאנג-קנג מא, נחשבת כאחת התרומות המשמעותיות לתחום והשפיעה רבות על קהילת הפיסיקה הסטטיסטית. כמו כן, תובנותיו לגבי מעברים בין מתכת וחומר מבודד,   שנבדקו ניסויית, השפיעו עמוקות על קהילת החוקרים של חומר מעובה. הדיון שלו עם פרופ' משה שוורץ מאוניברסיטת תל אביב בנוגע לעיבוי בוז-אינשטיין (Bose-Einstein Condensation) בהליום 4 במצב מוצק החל שלושה עשורים לפני הפריחה  בחקר מוצַקֵי-על.

חברי ועדת פרס וולף אמרו כי פרופ' אמרי "הוא פיסיקאי בעל ראיית נולד מרשימה, לעיתים שנים לפני זמנו, שמחקריו נמצאים בחוד החנית של מספר תחומים בפיזיקה. עבור תרומות אלה מוענק לו פרס וולף בפיזיקה לשנת 2016".

כיום, אומר פרופ' אמרי, בן 77 המתגורר בתל אביב, הוא ממשיך לבצע מחקר מדעי – אך גם בתחום אחר: יעילות  והמרת אנרגיה. הוא משמש גם כיועץ לחברת לנדא לאבס (Landa Labs) המפתחת ננו-חומרים למגוון שימושים.

פרופ׳ יוסף אמרי