יישום מבטיח של תיאוריה בתחום מוליכות-העל

קבוצתו של פרופ' אביעד פרידמן, מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן, פיתחה במעבדה מערכת מבוקרת של רשתות מוליכות-על תלויות הדדית, המהווה אנלוגיה פיזיקלית לתאוריה של פרופ' שלמה הבלין, אף הוא מהמחלקה לפיזיקה בבר-אילן, הנקראת "תיאוריית הרשתות התלויות-הדדית". המחקר פורץ הדרך מהווה מערכת מעבדתית פיזיקלית ראשונה ליישום התיאוריה של רשתות תלויות הדדית. יישום זה מאפשר מחקרים ניסיוניים לבקרה ולהמשך הפיתוח של התופעות מרובות הממדים של חומרים מורכבים תלויים הדדית.

ב-2010 פרסמו פרופ' שלמה הבלין מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן ועמיתיו מאמר בכתב העת Nature, בו טענו שהפסקת החשמל הפתאומית שגרמה להאפלה המפורסמת של 2003 באיטליה הייתה תוצאה של תלות הדדית בין שתי רשתות. 

לאחרונה החל פרופ' הבלין לשתף פעולה עם פרופ' אביעד פרידמן, ניסיונאי במחלקה לפיזיקה בבר-אילן, המתמחה בתכונות החשמליות של מערכות לא מסודרות, ובמיוחד במוליכי-על. מוליכות-על היא תופעה הנצפית במתכות מסוימות, כאשר ההתנגדות החשמלית צונחת לאפס אם מקררים את המערכת מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת.

בהשראת התיאוריה של פרופ' הבלין, הקבוצה של פרופ' פרידמן פיתחה מערכת מבוקרת של רשתות מוליכות-על תלויות הדדית, שהיא אנלוגיה פיזיקלית לרשתות התלויות-הדדית המעורבות בהפסקת החשמל שהתרחשה באיטליה. שתי הרשתות מוליכות-העל מופרדות על ידי שכבה מבודדת חשמלית אבל המאפשרת העברת חום בין הרשתות, מה שיוצר מערכת של שני סוגי קשרים. בתוך כל שכבה הזרמים החשמליים מייצגים קשרי קישוריות ואילו החום הזורם בין הרשתות מייצג קשרי תלות מאחר שהוא יכול לשבש את מקטעי מוליכות-העל.

המחקר שבוצע על-ידי שתי הקבוצות, שפורסם לאחרונה בכתב-העת Nature Physics, מראה שבעוד שרשתות נפרדות, לא מצומדות, מציגות מעבר חלק ורציף בין מוליך-על ובין מתכת רגילה עם העלאת הטמפרטורה, מערכות מצומדות מראות מעבר חד לא רציף כפי שנחזה על-ידי התיאוריה. הדבר מיוחס לעובדה שהזרם הזורם במקטע רגיל של שכבה אחת גורם למקטע חופף בשכבה השנייה להתחמם וכתוצאה מכך לאבד את מוליכות-העל שלו. תהליך זה של משוב תרמי בין השכבות נמשך באופן המתפשט מעצמו (אחורה וקדימה בין השכבות) ובסופו של דבר מביא למפולת, המתפשטת באופן ספונטני, של מקטעים המאבדים את מוליכות-העל.

לפי התיאוריה של פרופ' הבלין, התלות בין רשת החשמל ובין מערכת התקשורת שלה הביאה לשרשרת נפילות ולקריסה פתאומית. העבודה רבת ההשפעה של פרופ' הבלין הולידה תחום חדש בפיזיקה הסטטיסטית המכונה "רשת של רשתות" או "רשתות תלויות הדדית" וסללה את הדרך להבנה וחיזוי של תוצאות האינטרקציה בין רשתות. החידוש העיקרי במודל של פרופ' הבלין הוא קיומם של שני סוגי קשרים המייצגים שני סוגים שונים איכותית של אינטרקציות. בתוך רשתות, קשרים בין צמתים מתארים קישוריות כמו חיבורי חשמל או תקשורת; בין רשתות, לעומת זאת, קשרים מתארים קשרי תלות, בהם הפונקציונליות של צומת ברשת אחת תלויה בפונקציונליות של צומת ברשת השנייה. מרכזי התקשורת זקוקים לחשמל ותחנות הכוח תלויות בבקרת תקשורת. תלות זו מביאה לתופעת שרשרת, שבה כשל של צומת אחד באחת הרשתות עלול לגרום לקריסה פתאומית של שתי הרשתות.

במהלך העשור האחרון, פרופ' הבלין ואחרים החילו תיאוריה זו על מגוון מערכות מופשטות, כגון האינטרנט, תחבורה, כלכלה, תשתית ועוד. אבל בהיותו תיאורטיקן, הבלין לא יכול היה להדגים את ההיפותזה על מערכות פיזיקליות ניסיוניות אמיתיות ועל כן לא היה ניתן לאמת את התיאוריה.

למחקר החדש שהובילו פרופ' הבלין ופרופ' פרידמן יש חשיבות במספר תחומים, כולל פיזיקה בסיסית, תורת החומרים ויישומי התקנים. בפיזיקה בסיסית, ההשפעה המדעית היא בגילוי תופעות פיזיקליות חדשות הקשורות במעברי פאזה, כלומר שינוי בתכונות החומר. התוצאות מראות שמעברי פאזה הנשלטים על-ידי סוג אינטרקציה יחיד, שנחקרו בצורה מקיפה במשך למעלה מ-100 שנים, הם רק מקרה גבולי של תופעה עשירה וכללית הרבה יותר הנשלטת על ידי מספר סוגי אינטרקציות. התוצאות אף עשויות להביא להקמה של תחום חדש של מטה-חומרי רשתות המבוססים על שכבות מצומדות עם קשרים בין-שכבתיים שונים המציגים תופעות פיזיקליות חדשות.

המחקר אף מנבא שהנפילה הפתאומית של מערכת רשתות מצומדות עשויה להיות תופעה רצויה. אם היא מנוצלת כראוי, אפשר ליישמה לתכנון מערכות המתקנות את עצמן או לתכנון בקרים חכמים (switchers) או חיישנים בעלי רגישות גבוהה, למשל לגילוי פוטון יחיד.

בעוד שתורת הרשתות נולדה בשנת-2000 מתוך הפיזיקה, התפתחותה בהמשך והיישומים שלה לא תרמו לפיזיקה, אבל תרמו לכמעט כל התחומים המדעיים והטכנולוגיים האחרים. המחקר הנוכחי מחבר מחדש בין תורת הרשתות ובין הפיזיקה. הוא הראשון שמוכיח שמושגים חדשים שפותחו בתורת הרשתות יכולים לתרום משמעותית לפיזיקה תוך גילוי תהליכים פיזיקליים חדשים, כגון סוגים חדשים של מעברי פאזה, על ידי חקר מערכות פיזיקליות תלויות הדדית.

הקבוצות של הבלין ופרידמן כללו את מנהלת המעבדה ד"ר אירה וולושצ'נקו ושלושה סטודנטים למחקר: ד"ר איוואן בונמסה, בניה גרוס ומעין להב.