מנהל בכיר בקבוצת האלגוריתמים של חברת אפלייד מטיריאלס ישראל (Applied Materials), ד"ר רפי ביסטריצר, קיבל השבוע הודעה מפתיעה ומשמחת: הוא נבחר לקבל את פרס וולף לפיסיקה ביחד עם פרופ' אלן מקדונלד מאוניברסיטת טקסס באוסטין ופרופ' פבלו הררו מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, עבור מחקר תיאורטי שביצע בשנת 2011. פרס וולף נחשב לאחד מהפרסים החשובים ביותר בעולם המדעי. הוא מדורג כשני בחשיבותו לאחר פרס נובל: כשליש ממקבלי פרס וולף קיבלו לאחר-מכן גם את פרס נובל.

במסגרת הפוסט דוקטורט שלו, ביסטריצר ומקדונלד חקרו מבנה מיוחד של גרפין (Graphene), שהוא חומר שהופק לראשונה בשנת 2004. מדובר בעצם בשכבה יחידה של גרפיט: מבנה שטוח המורכב מאטומי פחמן המסודרים במערך של משושים (תמונה למטה). הם ביצעו מחקר תיאורטי שבמהלכו הם חזו שהנחת שתי שכבות גרפין סמוכות (במרחק של כמה ננומטרים אחת מהשנייה) ובזווית של 1.1° זו מזו, תיצור חומר בעל תכונות מיוחדות, שעשוי לאפשר בניית סוג חדש של מוליך-על.

כאשר האלקטרון מתנהג כמו פוטון

פרופ' פבלו הררו בדק את הרעיון, והצליח לבצע סדרת ניסויים שאימתו את התחזית של מקדונלד וביסטריצר. כיום משמש ביסטריצר כמנהל קבוצת האלגוריתמים בחברת אפלייד מטירילאס ישראל, אשר מפתחת מערכות לבדיקת איכות הייצור ואיתור תקלות בקווי ייצור שבבים (מטרולוגיה), ומתמקד בפיתוח אלגוריתמים לאיתור תקלות בשבבים תלת-מימדיים (3D). בראיון ל-Techtime הוא סיפר על חשיבות המחקר ומהותו, ובמה הוא עוסק כיום.

ביסטריצר: "המחקר שביצענו שייך לפיסיקה של מצב מוצק, שזהו התחום המנסה להבין את הפאזות של החומר בטבע, כלומר איך החומרים מתנהגים בתנאים שונים. המושג פאזות מתייחס לתכונות כמו הולכה, בידוד, מיגנוט, הולכת-על וכדומה. התחום הזה החל בעקבות גילוי התופעה של פסי אנרגיה, שממנה התפתחה טכנולוגיית המוליכים למחצה (סמיקונדקטורס)".

מדוע התמקדתם בגרפין?

"לגרפין יש תכונות אלקטרוניות מדהימות. האלקטרונים בו מתנהגים כמו פוטונים וזה מייצר תופעות קוונטיות ותכונות הולכה מאוד מעניינות. אפשר לצפות בתופעות קוונטיות מסויימות אפילו בטמפרטורת החדר. המטרה היתה לפתח מערכת המאפשרת לחקור בצורה מאוד נקייה ויחסית קלה את הפאזות האלה של מצב מוצק.

"הבעיה היא שכיום ההבנה שלנו בתחום מוליכי העל ותופעות מצב מוצק דומות היא מוגבלת מכיוון שקשה מאוד לבצע ניסויים במערכות האלה. ברעיון שהגדרנו ניתן לשלוט בתכונות המערכת הזאת באמצעות שליטה בצפיפות האלקטרונים. באנרגיות גבוהות זהו דבר שקשה לעשות, אבל במקרה שלנו כל מה שצריך לעשות זה לשנות את המתח על-פני שתי שכבות הגרפין".

מהו הגילוי העיקרי שלכם, ומה המשמעות שלו?

"הראינו שבאופן די מפתיע, ולא לגמרי מובן, בתחום של זוויות קטנות בין שני משטחי גרפין, מהירות האלקטרונים קטנה בהדרגה וכשמגיעים לזווית של 1.1° היא נעצרת כמעט לחלוטין. כלומר, במצב הזה תכונות החומר לא נקבעות על-ידי מהירות האלקטרונים אלא על-ידי האינטראקציה ביניהם. ואז מתחוללים דברים מעניינים. קיווינו שהדבר יתבטא באמצעות מוליכות על. כרגע מתבצעים בעולם מחקרים רבים המנסים להבין מדוע בזווית הזאת נוצר מוליך-על בגרפין. ראו גם תופעות מעניינות כמו מעבר חד בין מבודד למוליך-על, המזכיר מאוד מוליכים מחצה. למעשה, מתג אידיאלי".

מטרולוגיה על גבול הבלתי אפשרי

כאשר סיים את שלב הפוסט דוקטורט ביסטריצר חזר לארץ והשתלב בתעשייה. הוא הצטרף לחברת אספקט אימג'ינג וממנה עבר למדטרוניקס ישראל, שבהן עסק במחקר ופיתוח של מערכות MRI. לפני כארבע שנים הצטרף לחברת אפלייד מטיריאלס ישראל, שבה הוא עוסק בניהול קבוצת אלגוריתמים לגילוי תקלות ייצור. "בתור תיאורטיקן, היה לי רצון לעבור לתחום האלגוריתמיקה".

כיום הוא אחראי באפלייד על שני תחומים: גילוי תקלות בגודל של ננומטרים בודדים באמצעות שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני (Electron Beam Inspection), ומטרולוגיה של שבבים תלת מימדיים (3D). "עד עכשיו מדדנו רכיבים שטוחים, אולם כיום, בגלל הקושי למזער את השבבים, בונים אותם לגובה. זהו אתגר מדהים. כמעט על גבול הבלתי אפשרי. החלוקה לתחומים כמו פיסיקה וטכנולוגיה היא לעתים מלאכותית. אני רוצה להתעסק בבעיות מעניינות, והיום אני עובד על בעיות מאוד מעניינות".