הרעיונות המחקריים שבהם עסק הפרופסור רפפורט אחרי הדוקטורט המשיכו גם למעבדת המחקר שלו באוניברסיטה העברית, אליה הגיע ב-2007. המנעד המחקרי רחב, הוא מסביר, החל בשאלות בסיסיות מאוד שבאמצעותן אנו רוצים להבין איך דברים מתנהגים עד מחשבות על התקנים לטכנולוגיות עתידיות. צוות המחקר מתמקד בחומרים מוליכים למחצה, חומרים שמהם מייצרים היום את כל הטכנולוגיה שהיא בסיס של המחשבים, המכשירים הסלולריים, המסכים, ולמעשה החומרים שמניעים כיום את כל הטכנולוגיה. החומר המפורסם ביותר הוא סיליקון, מדגיש רפפורט, אך יש עוד סדרה שלמה של חומרים מוליכים למחצה שבעזרתם אנחנו בונים את הטכנולוגיה כולה.

ספר על תהליך יצירת אטום מדומה באמצעות אור וחומר.

רפפורט: "בעזרת אור אנחנו מעוררים בתוך החומרים האלה מצבים של אלקטרונים, שהם הגורם המוליך בחומרים הללו. אנחנו למעשה מייצרים בחומרים מצבים שהם מצבים קוונטים בעיקרם. כלומר, דמויי אטומים אבל הם לא באמת אטומים. בפועל אנו מייצרים אטומים מלאכותיים בתוך החומר. החומרים האלו הם גביש, שהוא מערך מסודר מאוד של המוני אטומים, כל אטום תורם אלקטרונים למין 'חבית משותפת', כאשר כל האלקטרונים הללו נעים בתוך החומר. נדמיין את אותה חבית אלקטרונים כדלי מלא מים, כשאני מגדיר את פני המים כאפס, כמו גובה פני הים. לא היינו יכולים לעולם לעקוב אחר כל אלקטרון, אז אנחנו מדמים מצב בו האלקטרונים ממלאים ים וקובעים את פני הים כנקודת האפס.

נניח שלקחתי אלקטרון מתוך ים האלקטרונים, והעברתי אותו למצב אנרגיה גבוה מעל "פני המים" (לדלי אחר גבוה יותר); אני יכול לומר שיש לי מינוס אלקטרון "בדלי". המטען החשמלי של האלקטרון הוא שלילי, כך שאני יכול להגיד שמינוס אלקטרון מתנהג כמו חלקיק בפני עצמו. החוסר שהותיר האלקטרון שהוצאתי מ'הים' מתנהג כמו המטען ההפוך דהיינו מטען חיובי. כלומר, האלקטרון שהוצאתי והעברתי לדלי הגבוה הוא מטען שלילי, ה'חור' שנשאר בדלי הנמוך הוא מטען חיובי והם מושכים זה את זה. נוצר מצב חדש שבו בתוך ים האלקטרונים יצרנו חלקיק מדומה, שהוא חוסר של אלקטרון שמתנהג כמו חלקיק חיובי שנצמד לאלקטרון שהוצאנו. כך נוצר אטום, אבל הוא אטום מלאכותי".

מה היתרון של השפעת האור בתהליך הזה?

רפפורט: "תורת הקוונטים אומרת שהחלקיקים לא יכולים להיות בכל אנרגיה. כלומר, החלקיקים יכולים לקבל רק אנרגיות בדידות. ישנו מרווח בין אנרגיה לאנרגיה שבו לחלקיקים אסור להיות ("המרחק בין הדליים"), במרווח הזה נכנסת האינטראקציה עם האור. אנחנו שולחים אור שמורכב מחלקיקים שנקראים פוטונים, שהם היחידה הבסיסית של האור וכל פוטון כזה נושא אנרגיה. הפוטון הזה יכול לתת את האנרגיה שלו לאלקטרונים ואם היא מספיקה להעביר את האלקטרון מהים לרמה הבאה שמותרת על-פי תורת הקוונטים, אזי אותו פוטון ייעלם והאלקטרון יעלה לרמת האנרגיה הגבוהה וייווצר אותו חלקיק, ה'חור'. האלקטרון יימשך לאותו חלקיק חיובי שנוצר וביחד הם יוצרים מערכת שמש קטנה ויש לנו אטום מדומה".

מה החשיבות היישומית של יצירת אטום מדומה?

רפפורט: "האטום המדומה שנוצר מאפשר לנו לשלוט בתכונות שלו ובסופו של דבר לשנות את התכונות של החומר וגם לשלוט על איך החומר מגיב לאור, כי אנחנו יכולים לבנות כעת מבנים, לא חומר. לבנות שכבות דקות של חומר או קוביות חומר קטנות מאוד ואז התכונות של כל האנרגיות המותרות משתנות והתכונות של האלקטרונים משתנות. האטומים הם עדיין אותם אטומים, אבל ה'דלי' של האלקטרונים משתנה. אנו יוצרים באמצעות המניפולציה הזאת, הנדסה של אטומים חדשים שבעזרתם אנחנו יכולים לשאול שאלות מעניינות מאוד על תורת הקוונטים וגם להשתמש בהם".

השאיפה התובענית כיום, מספר רפפורט, היא לשפר את יכולת המחשוב שלנו, מבחינת תכונות של זיכרון, מאגרי מידע, גרפיקה, או יכולת חישוב. לפיכך, נדרש לעשות הכל מהיר וקטן יותר. למשל, אם היום יש בשבב אחד עשרות מיליוני טרנזיסטורים, אנחנו רוצים שיהיו בו מאות מיליוני טרנזיסטורים, מה שיאפשר כוח חישוב גדול באופן משמעותי על שבב אחד. לשם כך צריך לייצר טרנזיסטורים יותר ויותר קטנים. רונן מסביר: "היום זה כבר מתחיל להיות קשה, כי הגדלים של הטרנזיסטורים של אינטל, לדוגמה, הם כבר זעירים ובגודל של עשרה ננומטר. גודל המרחק בין אטום לאטום בגביש הוא כחצי ננומטר, כך שאם יש טרנזיסטור שהוא בגודל של עשרה ננומטר, יש בו רק כמה מאות אטומים וזה הופך מורכב מאוד".

מה האתגר בשימוש באור כפתרון טכנולוגי?

רפפורט: "בעקבות העובדה שכבר 'מגיעים לקצה' מבחינת מהירות וגודל, מנסים לחשוב על הטכנולוגיה הבאה. כיוון אחד הוא להשתמש באור, כי אור נע הכי מהר. האתגר בכך הוא שלאור אין יכולת לעשות אינטראקציות. טרנזיסטורים מבוססים על אלקטרוניקה, על זרמים חשמליים, אלקטרונים הם חלקיקים טעונים שקל לעשות עליהם מניפולציה, כי הם עושים אינטראקציה זה עם זה ובשביל כל לוגיקה שאנו רוצים לעשות, יש צורך בחיבור הזה - שחומר 'ידבר' עם חומר. לכן כל הטכנולוגיה של הלוגיקה מבוססת כיום על אלקטרוניקה. אור הוא טכנולוגיה נפלאה כדי להעביר מידע ממקום למקום אך אינו יעיל לטובת פעולות מחשוב, או כדי לעשות באמצעותו לוגיקה, כי בשביל זה נדרשות אינטראקציות. בסרטי מלחמת הכוכבים רואים את קרבות חרבות האור עם קרני אור כאלה שיוצאות וזה לגמרי לא פיסיקלי, כי את רואה שם שתי קרני אור שמתנגשות זו בזו וזה לא יכול לקרות. חלקיק אור, פוטון, לא יכול לעשות אינטראקציה עם חלקיק פוטון אחר. זאת עוד סיבה לכך שזה בדיוני. אם ניקח כעת שני פנסים רגילים או שני פנסי לייזר, לא תוכלי 'להפגיש ביניהם', כי אור לא יכול להזיז אור".

אור שעושה אינטראקציות

כיצד יוצרים 'יצור חדש' שיש בו גם אור וגם חומר?

רפפורט: "אנחנו משתמשים בתורת הקוונטים כדי לייצר אור שכן עושה אינטראקציות. האטום המדומה שיצרנו נקרא אקסיטון מהמילה אקסיטציה שפרושה ערעור. אנחנו מכניסים אנרגיה לחומר - במקרה זה, אור - ויוצרים את אותו אטום מלאכותי, שהוא למעשה המצב המעורער של החומר. הרעיון הוא לקחת מבנה מיוחד מאוד, שאליו אנו מכניסים אור. האור הזה נבלע ומייצר את האקסיטון, אבל האטום המדומה הזה מהר מאוד נעלם ופולט אור מחדש. כלומר, הבלעתי את הפוטון של האור בתוך יחידת החומר. על-ידי יכולת השליטה שלנו על תכונות החומר ועל קצב התרחשות התהליך, האור הופך לערעור של החומר, האור נעלם ואז האטום המלאכותי נעלם ופולט אור.

"אם אני מצליח לשמור את האור שנפלט בתוך המבנה (כמו שאור נשמר ונע בסיב אופטי), התהליך הזה ימשיך להתרחש מחדש כל הזמן, כי למעשה האור לא באמת נעלם, אלא נשאר בתוך החומר, נבלע שוב, מייצר אטום מלאכותי ששוב נעלם ופולט אור מחדש. התהליך הזה הוא מעגלי וקורה בקצב אדיר ובלתי נתפש. בשנייה אחת, התהליך של החלפת אור בחומר מתרחש מאות מיליארדים של פעמים. אם אני כותב את המשוואות של התהליך בתורת הקוונטים, אני רואה שיש לי חלקיק חדש שהוא לא אור והוא לא חומר; הוא בעצם גם חומר וגם אור. מצד אחד, הוא נע בתוך הסיב מהר מאוד כמו אור, הרבה יותר מהר מחלקיק חומר, לטובת העברת מידע, אבל מצד שני, יש לו גם חלק של חומר ואז הוא יכול לעשות אינטראקציה, כך שאני יכול, למשל, להפעיל עליו שדות חשמליים".

מה החוזקות היישומיות של החלקיק החדש המורכב מאור וחומר?

רפפורט: "אני יוצר יצור חדש, שנקרא פולריטון, שמקורו במילה קיטוב (פולריזציה) שיש בו גם אור וגם חומר, והוא לוקח את הטוב משני העולמות. הוא גם יכול לנוע הרבה יותר מהר מחלקיק חומר כמו אור, ולכן אני יכול להניע אותו בסיבים אופטיים - מה שאני לא יכול לעשות באלקטרונים. אני יכול גם להפעיל עליו מניפולציה והוא יכול בנוסף לעשות אינטראקציות. על-ידי מניפולציות חיצוניות אנחנו יכולים לגרום לאינטראקציה להיות חזקה מאוד. אנו מקווים שזה יאפשר לנו לייצר רכיבים לוגיים שהחלקיקים שנעים בתוכם הם לא אלקטרונים איטיים, אלא החלקיקים המעורבים. מבחינה יישומית, נגרום לאור לעשות אינטראקציה. בעקבות זאת נוכל לעשות סוג חדש של לוגיקה, של טרנזיסטורים, ממש אלקטרו-אופטיקה חדשה, שמבוססת על אור מעורבב עם חומר".

אקדחי אור

מה הדרך לייצר בפועל שני חלקיקים מעורבים שגם יכולים לעשות אינטראקציה?

רפפורט: "באמצעות אקדחי אור או אקדחי פוטונים, כי כדי לייצר חלקיק אחד או שניים כאלו, אני צריך יכולת טובה לייצר פוטונים אחד-אחד. בפנס, מספר הפוטונים שנפלטים הוא עצום, וכדי שאוכל ליצור ביטים של אור שאחר כך אוכל להפוך אותם לביטים של אור וחומר, על יד כך שאכניס אותם למבנים המיוחדים שלי, אני צריך כלי שייתן לי כל פעם רק פוטון אחד. זה מה שמאפשרים לנו אקדחי האור שאנו מייצרים פה, באמצעות ננו גבישים של חומר. הרבה אנשים מנסים לפתח שיטות לעשות זאת, ומה שאנחנו הצלחנו לעשות הוא לפתח טכנולוגיה שבאמצעותה אנחנו יכולים לקחת חלקיק כזה שהוא כדור של כמה מאות עד אלפי אטומים בלבד, למקם אותו במרכז של צלחת אנטנה, כך שהפוטונים מכוונים באופן מדויק ממש כאילו נורו ממכונת ירייה, בקצב מהיר מאוד של מיליוני פוטונים לשנייה לאותו כיוון, ובעזרת עדשה פשוטה אני יכול להכניס אותם לתוך סיב ואז יכול לעשות איתם מה שאני רוצה. המאמר על אקדח הפוטונים הראשון שלנו פורסם ב-2016 ב-Nano Letters, ומאז פרסמנו עוד מאמרים עם שיפורים בביצועים שלו. המאמר על הניסוי בחלקיקים מעורבים של אור וחומר, פורסם ב-2018 ב-Science Advances".

מה אפשר לעשות עם אקדחי אור מבחינה יישומית?

רפפורט: "לייצר באמצעותם את החלקיקים המעורבים של אור וחומר, למשל, או להשתמש בהם להעברה של אינפורמציה למרחקים גדולים. כל פוטון יכול לשאת ביט של מידע. מכיוון שהפוטון הוא חלקיק קוונטי, הביט של המידע הוא גם קוונטי, ביט-קוונטי. ביט-קוונטי יכול לא רק להיות במצב ׳0׳ או ׳1׳ כמו ביט קלאסי, אלא גם במצבים שהם סופר-פוזיציה של ׳0׳ ושל ׳1׳. זה נשמע מוזר אבל זה יכול להיות מאוד שימושי, למשל, זה נותן דרך להצפין ולהעביר מידע בצורה בטוחה מאוד, טכנולוגיה חדשה שמתפתחת היום במהירות בעולם, ואנו שותפים לפיתוח מקורות כאלו שישמשו מערכות הצפנה עתידיות".

האטומים המדומים, האקסיטונים, לדברי רפפורט, יכולים גם לשמש אותנו למחקרים מרתקים על מערכות קוונטיות מרובות חלקיקים, נושא שנמצא בחזית המחקר הבסיסי בתורת הקוונטים. במהלך השנים פיתחו רפפורט וצוות המחקר שלו, שיטות לשליטה בחלקיקים הללו, מה שמאפשר להם כיום לכלוא מספר גדול של חלקיקים במלכודות חשמליות מיוחדות שהם פיתחו, שיטה שכיום אומצה בידי חוקרים אחרים בעולם. כאשר כולאים את החלקיקים ביחד ומקררים אותם לטמפרטורות נמוכות מאוד, רק כמעלה אחת מעל האפס המוחלט (כלומר באזור מינוס 272 מעלות קלווין), מתרחשות תופעות מדהימות, מסביר רפפורט. מכיוון שכל האטומים המדומים האלו הם זהים, מתרחשת תופעה שאיינשטיין ובוזה חזו עוד במאה הקודמת, החלקיקים הללו "מתעבים", כמו שמים מתעבים לטיפות נוזל על החלון הקר. ההבדל הוא שהם מתעבים למצב קוונטי אקזוטי שנקרא 'נוזל קוונטי' בתהליך שנקרא היום "עיבוי בוזה-איינשטיין".

התהליך שאתה מתאר מאפשר לייצר מצבי צבירה חדשים? מה החשיבות היישומית בכך?

רפפורט: "בנוזל הזה כל החלקיקים נמצאים באותו מצב קוונטי, ובעצם הופכים לישות אחת עם תכונות מיוחדות שאין להן מקבילה בפיסיקה הקלאסית. בנוזלים קוונטים קרים כאלו, ההידודיות (אינטראקציה) בין החלקיקים מאוד חשובה ויכולה ליצר מצבי צבירה אקזוטיים חדשים שנשמעים דמיוניים. מצב צבירה אחד כזה הוא מצב שנקרא על-מוצק. על-מוצק הוא מצב של הרבה חלקיקים, שמצד אחד מסודרים בסדר מחזורי מובהק, כמו גביש מוצק, אבל מצד שני החלקיקים יכולים לזרום מנקודת גביש אחת לשנייה ללא אנרגיה, התנגדות, או חיכוך, כמו נוזל, או יותר נכון כמו על-נוזל. זה מצב שמאחד נוזליות וגבישיות ביחד. זה אפשרי עד כמה שאנו מבינים רק במערכות קוונטיות.

"מה שמיוחד עוד יותר במערכת שלנו הוא שיש לנו דרך לשלוט על ההידודיות בין האטומים, ועל-ידי כך לחקור ולחפש מצבים אקזוטיים כאלו, ולאחרונה אכן ראינו בנוזלים הקוונטיים האקסיטוניים תכונות שאנו מאמינים שהן הבסיס לקיומו של מצב על מוצק, ולכן אנו כעת מתכננים להשקיע מאמצים ביצירה ובגילוי של מצב צבירה קוונטי זה. מערכות כאלו יוכלו בעתיד לא רק להעמיק את ההבנה שלנו על ההשלכות של תורת הקוונטים, אלא גם אולי לשמש בהתקנים עתידיים שיהיו מבוססים על מצבים קוונטים אקזוטיים כאלו, כגון התקני זיכרון חדשים או יישומים אחרים שעדיין לא העלינו על דעתנו, כפי שקרה פעמים רבות בהיסטוריה המדעית. המאמרים על נוזלים אקסיטוניים קוונטים פורסמו בסדרה של מאמרים בעיתונים מובילים בעשור האחרון, כולל שני מאמרים בשנה האחרונה, שמדווחים על ההשפעה הדרמטית של ההידודיות בין האקסיטונים על התכונות של הנוזל הקוונטי שהם יוצרים. האחד פורסם ב-Physical Review X (PRX), והשני ב-Proceeding of the National Academy of Sciences (PNAS)".

כיצד אתה רואה את האיזון בין עבודת המחקר במעבדה ובשטח?

רפפורט: "המחקר שלנו דורש כלים מתוחכמים מאוד, בתנאים מיוחדים, ולכן הוא חייב להתקיים בין ארבע קירות המעבדה. עם זאת אנחנו מעורבים במיזם הצפנות קוונטיות, עבור מערכת שתעבוד בשטח. אני שואף להיות בשטח ככל היותר, לכן אני משתדל לבלות כמה שיותר בחוץ, אני אוהב מאוד לטפס, למשל. דווקא בגלל שעיקר העבודה שלנו היא במעבדה ובחושך".

מה הדבר החשוב לדעתך אצל חוקר או חוקרת במעבדה שלך?

רפפורט: "עבודת המחקר שלנו משלבת עבודה ניסויית במעבדה יחד עם חישובים. אני אוהב סטודנטים שאוהבים 'ללכלך את הידיים', שלא פוחדים לעבוד במעבדה ולבנות מכשירים, ומצד שני, גם לא פוחדים לחשב ולכתוב תאוריות ומשוואות מורכבות וצפנים למחשב. מרבית הסטודנטים שלי הם פיסיקאים, אבל קבוצת המחקר שלי משתפת פעולה עם מגוון תחומי חקר. יש לנו גם שיתופי פעולה עם מעבדות ואוניברסיטאות בארה"ב ובגרמניה. החלק החשוב ביותר במחקר, לדעתי, הוא קשרי הגומלין עם מאות חוקרים, והיכולת לדבר ביחד ולהגיע להישגים משותפים".

היכן אתה עומד באשר לסוגיית מענקי המחקר?

רפפורט: "מענקי המחקר הם תמיד שאלה מסובכת בישראל. מענקי המחקר בארץ הם מוגבלים, במיוחד לנסיינים ובתחום המחקר של הפיסיקה, שיש בו טכנולוגיה כבדה ויקרה, כמו מיזם אקדחי האור שלנו שרשמנו עליו פטנט, אבל אנחנו ממשיכים לפתח אותו. אולי בעתיד נוכל לקדם זאת מבחינה יישומית למוצר. עם זאת, רשמנו פטנט על מיזם מחקר, ויש לנו מו"מ לגביו עם חברות מסחריות. מדובר במערכת מדידה שיודעת למדוד בצורה מדויקת מאוד תכונות אופטיות של חומרים ועובי של שכבות דקות מאוד. זה מיזם שמעניין אנשים בתעשיה וזה כרגע מצוי בתהליך".

רפפורט מרגיש בר-מזל שהוא עדיין בעולם הקסום של המדע. על-פי הדימוי שבחר, הוא משחק משחקים של גדולים עם צעצועים משוכללים ויקרים ב'ארגז החול' של המדע, שם הוא וצוות המחקר שלו מפעילים את הדמיון ללא הפסקה. הוא מספר שכאשר אך הגיע לאוניברסיטה העברית, ההמנון באתר של קבוצת המחקר שלו היה Fear Of The Dark, שיר של להקת 'בתולת הברזל' (Iron Maiden), בהשראת העובדה שהרבה מאוד מהניסויים נעשים בחושך, 'ההסתכלות היא על פוטונים בודדים והאור מפריע לכך'. בהשאלה אפשר לומר שרפפורט, שממשיך לסמן ולממש יעדים במעבדת הפיסיקה היישומית שלו, משלב כמו ב-Heavy Metal, רעש ומקצב של אור וחושך.