פרופ' יוסף (ג'ו) אמרי נפטר בשבוע שעבר בגיל 79. פרופ' אמרי היה מהבולטים בפיזיקאים במדינת ישראל, ונודע בעיקר בזכות תרומתו למחקר של מערכות אלקטרוניות מזוסקופיות. מערכות אלה נמצאות על קו הגבול שבין העולם המיקרוסקופי הנשלט על ידי הפיזיקה הקוונטית והעולם המאקרוסקופי הנשלט על ידי הפיזיקה הקלאסית. תולדות חייו של פרופסור אמרי, כולל כל גילויי ההערכה והפרסים בהם זכה, סוקרו בכתבה יפה של איתי נבו, שפורסמה באתר ווינט [1]. לכן, לא ארחיב עליהם כאן, ובמקום זאת אקדיש את המקום העומד לרשותי על מנת לספר על עבודה אחת שלו שתוצאותיה זיכו אותו בתהילה רבה. עבודה זו - גילוי הזרמים המתמידים בטבעות מתכת - נושאת עימה את המאפינים המדעיים של ג'ו אמרי, ובפרט את ההבנה האינטואיטיבית והחשיבה הבהירה על הדרך שבה תורת הקוונטים משפיעה על מערכות אלקטרוניות.
המערכת הפיזיקלית שעליה נדבר היא טבעת מתכת קטנה. נזרים זרם חשמלי בטבעת על ידי דחיפת האלקטרונים במתכת לנוע. אפשר ליצור זרם כזה על ידי שילוב סוללה בטבעת, ואפשר להדליק בחלל שבתוך הטבעת שדה מגנטי. כאן נתמקד בדרך השנייה. תהליך "הדלקת" השדה המגנטי אינו מיידי: קיים פרק זמן, קצר ככל שיהיה, שבו השדה המגנטי גדל מאפס לערכו הסופי. בזמן הזה, שבו השדה המגנטי מודלק, השינוי שלו יוצר שדה חשמלי שדוחף את האלקטרונים להקיף את הטבעת במעגלים - זוהי תופעת ההשראה המגנטית. כל עוד השדה המגנטי משתנה, הכוח פועל והזרם זורם. מה יקרה כשתהליך ההדלקה ייגמר, כלומר כשהשדה המגנטי יגיע לערכו הסופי ויישאר בו? ללא שינוי של השדה המגנטי לא יהיה שדה חשמלי, ולא יופעל כוח על האלקטרונים. האם הם ימשיכו לזרום? התשובה במילה אחת – תלוי.
המקרה הקל ביותר להסבר הוא המקרה שבו הטבעת עשויה מחומר על-מוליך, שכן זהו הניסוי שמגדיר על מוליכות מהי. זהו הקסם של על מוליך – הוא נושא זרם שאיננו דועך לעולם, גם לא כשהכוח על האלקטרונים פוסק. הסבר לתופעה הזו שנקראת "זרמים מתמידים" ניתן למצוא בפוסטים קודמים על על-מוליכות [2].  
בחיי היום-יום, אנחנו משתמשים במתכות להזרים זרם, שכן על-מוליכות קיימת רק בטמפרטורות נמוכות ורק עבור חומרים מסוימים. ניסיון חיינו היום-יומי מעיד שאם אין כוח שמזיז את האלקטרונים, אין זרם. כשאוזלת יכולתה של סוללה, הזרם נפסק. כשנפסק השינוי בשדה המגנטי, נפסק גם הזרם.
עם כל הכבוד שלנו לניסיון חיינו היום-יומי, לפעמים הוא לא חושף אותנו לכל יופיו של העולם. זהו אחד המקרים האלו, וכאן היו אלה פרופסור אמרי ושני שותפיו המנוחים, רולף לנדאואר (Landauer) ומרקוס בוטיקר (Büttiker), שחשפו את מה שנסיון חיינו היום יומי מסתיר: גם טבעות מתכת שאינן על מוליכות, יכולות, בתנאים מסוימים, לשאת זרמים מתמידים [3]. זוהי תופעה מפתיעה, שכן היינו מצפים שההתנגשויות שהאלקטרונים יחוו במהלך תנועתם יגרמו לדעיכתו של הזרם. התנגשויות אלו נובעות בעיקר מאטומים זרים בתוך המתכת, שנוכחותם בלתי נמנעת, או מאטומים שמיקומם חורג מהמיקום המוכתב על ידי הסריג שממנו המתכת בנויה.
על מנת למנוע מהזרם לדעוך, הפעילו אמרי ושותפיו את הנשק הכבד ביותר בארסנל – את תורת הקוונטים. הם הסתכלו על הטבעת בשלב שבו השדה המגנטי בתוכה כבר הודלק, והאלקטרונים נמצאים בשיווי משקל. במערכת כזו, אומרת תורת הקוונטים, האלקטרונים יסתדרו ב"מצבים קוונטיים עצמיים" ויישארו בהם כל עוד המערכת בשיווי משקל. המצבים העצמיים המוכרים לנו ביותר הם הקליפות האטומיות (עליהן כתבנו מעט כאשר כתבנו על הטבלה המחזורית [4]). לכל אטום יש מספר נתון של אלקטרונים. בשיווי משקל, האלקטרונים מאכלסים את הקליפות בעלות האנרגיה הנמוכה ביותר, אלקטרון אחד לכל מצב. אותו הדבר קורה בטבעת, וגם
בה האלקטרונים מאכלסים את המצבים בעלי האנרגיות הנמוכות ביותר. ללא שדה מגנטי, מצבים אלו נחלקים שווה בשווה בין מצבים שנושאים זרם בכיוון השעון ומצבים שנושאים זרם נגד כיוון השעון. בסך הכל, מכיוון שמספר המצבים לכל כיוון שווה, נקבל שלא זורם זרם בטבעת. בנוכחות שדה מגנטי, וכאן התבטאה ההבנה העמוקה של אמרי ושותפיו, יווצר יתרון מספרי קטן לאחד הכיוונים, והיתרון הזה יגרום לזרם מתמיד. גודלו של הזרם יהיה קטן בהרבה מגודלו של הזרם המתמיד בטבעת על-מוליכה, שבה כל האלקטרונים נעים באותו כיוון, אך "מתמידותו" של הזרם תהיה כזו של הזרם בעל-מוליך. למעוניינים בהרחבה, נציין שישנו קשר הדוק בין זרם זה לבין אפקט קוונטי שגם בו יש צד כחול-לבן, אפקט אהרונוב-בוהם [5].
מהם התנאים הנדרשים לכך שהטבעת תראה את האפקט הקוונטי של אמרי ושותפיו? דרושות טבעות קטנות - בקוטר של אלפית המילימטר לערך - ודרושות טמפרטורות נמוכות - באזור מעלת קלווין. ואכן, בניסיונות שנערכו בטבעות כאלו נמדדו זרמים מתמידים בטבעות שהיו באופן מובהק מתכתיות ולא על-מוליכות [6]. תורת הקוונטים הוכיחה את תקפותה, דרך הזרמים המתמידים, גם במערכות מרובות חלקיקים.
 
עדי שטרן הוא פרופסור לפיזיקה במכון וייצמן למדע, והיה מתלמידיו של פרופ' יוסף אמרי ז"ל.
 

מקורות וקריאה נוספת:
[1] - כתבתו של איתי נבו באתר ynet
[2] - סדרת מוליכות על של מדע גדול, בקטנה (הקישור מוביל לחלק הראשון, שמכיל קישור לחלקים הבאים)
[3] - המאמר המקורי מאת אמרי, לנדאוור ובוטיקר
[4] -  פוסט "הטבלה המחזורית" של מדע גדול, בקטנה
[5] - על אפקט אהרונוב בוהם
[6] - המאמר הנסיוני המראה את תקפותו של החיזוי