هربرت كرومر: الفيزيائي الذي صمم أجهزة مستحيلة

في عام 1963، وأثناء عمله في شركة فاريان أسوشيتس (Varian Associates) في بالو ألتو، اقترح هربرت كرومر (Herbert Kroemer) ليزراً مصنوعاً من طبقات متداخلة من أشباه موصلات مختلفة. لم يستطع أحد بناءه في ذلك الوقت؛ فتقنيات نمو البلورات المطلوبة لم تكن موجودة، ولن تتوفر لسنوات. ومع ذلك، فقد اقترح الفكرة. وبعد ستة عقود، أصبح ليزر الهيكل غير المتجانس المزدوج هو مصدر الضوء داخل شبكات الألياف الضوئية ومشغلات الأقراص المدمجة، وكما قال زميله في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا (UCSB) جون باورز (John Bowers)، فهو الجهاز الذي "مكّن الإنترنت وغير العالم".

من فايمار إلى غوتينغن

ولد في 25 أغسطس 1928 في فايمار، في أسرة لا تملك أي تقاليد أكاديمية: كان والده موظفاً حكومياً، ووالدته ربة منزل، ولم يكمل أي منهما المدرسة الثانوية. انهارت ألمانيا خلال فترة مراهقته، وخرج من ذلك ليجد نفسه في الفيزياء. في جامعة غوتينغن، حصل على دبلوم في عام 1951 ودرجة الدكتوراه في الفيزياء النظرية في عام 1952، حيث كتب أطروحة حول تأثيرات الإلكترونات الساخنة في الترانزستورات - وهو موضوع كان عمره خمس سنوات فقط عندما اختاره، حيث تم الإعلان عن الترانزستور نفسه في عام 1947. كانت هذه أول علامة على عادة استمرت مدى الحياة: الارتباط بالتقنيات قبل أن تستقر.

عقد مضطرب في الصناعة

قضى كرومر عقدي العشرينيات والثلاثينيات من عمره في التنقل بين المختبرات الصناعية في قارتين، وهو نمط يبدو مشتتاً حتى تلاحظ أنه استمر في العمل على نفس الفكرة. بدأ في عام 1952 في مختبر أبحاث الاتصالات التابع لهيئة البريد الألمانية في دارمشتات. وفي منتصف الخمسينيات، انتقل إلى مختبرات RCA في برينستون، نيو جيرسي. ومن عام 1957 إلى 1959، كان في مختبر أبحاث فيليبس في هامبورغ. وفي عام 1959، انتقل إلى شركة فاريان أسوشيتس في بالو ألتو وبقي هناك طوال العقد الذي أنتج فيه أهم أعماله.

على طول الطريق، اخترع ترانزستور الانجراف، وهو جهاز استخدم ملف تعريف شوائب متدرج لدفع الحاملات عبر القاعدة بشكل أسرع مما يسمح به الانتشار وحده. كانت هذه بداية فكرة سيقضي حياته المهنية في تطويرها: أنه يمكنك هندسة المشهد الداخلي لشبه الموصل لجعل الإلكترونات تتصرف بطرق لم ترتبها الطبيعة.

الترانزستور الذي احتاج إلى مادتين

في RCA، طور كرومر مفهوم الترانزستور ثنائي القطب ذو الهيكل غير المتجانس. تُبنى أجهزة أشباه الموصلات التقليدية من مادة واحدة - السيليكون، المشوب بشكل مختلف في مناطق مختلفة. كان اقتراح كرومر هو ربط مادتين مختلفتين من أشباه الموصلات معاً، بحيث يعمل التغير المفاجئ في فجوة النطاق عند الواجهة كقوة على الحاملات، وهو مجال شبه كهربائي لا يتطلب جهداً خارجياً. في منتصف الخمسينيات، حدد مزايا الأداء المحددة التي سيقدمها هذا. كانت الحجة نظرياً نظيفة وعملياً سابقة لأوانها؛ حيث كانت علوم المواد اللازمة لصنع وصلات حادة ذرياً بين بلورات غير متشابهة على بعد عقود.

ليزر لم يستطع أحد بناءه

كان اقتراح الهيكل غير المتجانس المزدوج لعام 1963 هو نفس المنطق المطبق على الضوء. جادل كرومر بأنه إذا قمت بحصر كل من الحاملات والفوتونات في طبقة نشطة رقيقة بين طبقتين من الكسوة ذات فجوة نطاق أوسع، فستحصل على ليزر يمكنه العمل بشكل مستمر في درجة حرارة الغرفة بدلاً من النبضات المبردة. كان هذا هو مبدأ التصميم الذي جعل ليزر أشباه الموصلات شيئاً قابلاً للاستخدام بدلاً من كونه ابتكاراً مخبرياً. سعى زوريس ألفيروف (Zhores Alferov)، الذي كان يعمل بشكل مستقل في لينينغراد، إلى نفس المجال؛ وفي عام 2000، تقاسم الرجلان جائزة نوبل في الفيزياء "لتطوير هياكل أشباه الموصلات غير المتجانسة المستخدمة في الإلكترونيات عالية السرعة والإلكترونيات الضوئية".

في عام 1964، نشر كرومر أول تفسير صحيح لتأثير غان (Gunn effect)، وهي الآلية الكامنة وراء التذبذبات الكهربائية عالية التردد في بعض أشباه الموصلات - وهي حالة أخرى من الوصول إلى الفيزياء قبل أن يتفق المجال على السؤال.

سانتا باربرا والرهان المركب

دخل الأوساط الأكاديمية في عام 1968 كأستاذ للهندسة الكهربائية في جامعة كولورادو بولدر، وفي عام 1976 انتقل إلى جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، حيث شغل كرسي دونالد دبليو ويتير (Donald W. Whittier) للهندسة الكهربائية مع تعيين مشترك في علوم المواد. هناك قام بمقامرة مؤسسية مخالفة للتيار مثل رهاناته العلمية: أقنع قسماً بالاستثمار في أشباه الموصلات المركبة - زرنيخيد الغاليوم وأقربائه - بدلاً من السيليكون الذي كان يهيمن على كل شيء. كان أول عضو في ما أصبح مجموعة رائدة عالمياً. كما تحول إلى تجريبي في وقت متأخر، حيث راد في تقنية الترسيب بالحزمة الجزيئية في UCSB وطبقها على أنظمة مواد لم يجربها أحد، وبنى أخيراً الواجهات الدقيقة ذرياً التي افترضتها نظريته في الخمسينيات. تقاعد في عام 2012.

معلم، مؤلف كتب دراسية، ورجل نبيل

ألف كرومر كتابين دراسيين يتميزان بوضوح غير عادي: الفيزياء الحرارية (Thermal Physics)، الذي أنتج طبعته الثانية مع تشارلز كيتل (Charles Kittel) في عام 1980، وميكانيكا الكم للهندسة وعلوم المواد والفيزياء التطبيقية (Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics). يتذكر الزملاء رجلاً يتمتع بروح دعابة حادة كان يتحدث في الفيزياء مع زائر من المدرسة الابتدائية بنفس سهولة حديثه مع طالب دراسات عليا، وكان يطرح أسئلة صعبة في الندوات دون أن يجعل الإجابة تبدو كحكم. شبهه العميد أوميش ميشرا (Umesh Mishra) بالمعلم بالمعنى الهندي - شخص ينقل "الأخلاق، والقيم، والقيادة، واللطف، والكرم" جنباً إلى جنب مع المحتوى التقني. نسب شوجي ناكامورا (Shuji Nakamura) الفضل في ابتكاره الخاص للصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق (LED) إلى مفهوم الهيكل غير المتجانس لكرومر. أصبح كرومر مواطناً أمريكياً متجنساً في عام 2003 وكان ملحداً صريحاً: قال إن الدين "مجرد تفكير بالتمني".

لماذا يُطلق على هربرت اسم العبقري

القدرة المميزة هنا هي فيزياء الأجهزة الاستباقية: القدرة على التفكير بشكل صحيح حول سلوك هيكل لا يمكن تصنيعه بعد، والثقة في التفكير لمدة عشرين عاماً بينما ينتظر الجميع الأدلة. وصف كرومر هذا التصرف بنفسه، دون تواضع زائف ودون ادعاء العبقرية: "منذ البداية، كنت مهتماً دائماً بالأشياء التي تسبق ما يمكن للناس القيام به بعدة أجيال. الخطوات الصغيرة لم تكن تثير اهتمامي حقاً. كنت مهتماً بالخطوات الكبيرة". نصيحته للزملاء الصغار نبعت من ذلك - اعمل على ما يثير اهتمامك، تجاهل التطبيقات، كن انتهازياً.

ما تدعمه السجلات في الواقع هو الحكم بدلاً من قوة المعالجة الخام. ثلاث مرات - ترانزستور الوصلة غير المتجانسة، ليزر الهيكل غير المتجانس المزدوج، تأثير غان - حدد المبدأ الفيزيائي الصحيح قبل سنوات من المجتمع وقبل التكنولوجيا. هذا معدل نجاح نادر، وهو السبب الذي جعل لجنة نوبل، ولجنة ميدالية الشرف IEEE في عام 2002، والدولة الألمانية بوسام الاستحقاق الكبير، يتفقون جميعاً في النهاية.

القضية المعاكسة صادقة وتستحق الذكر. لم يبنِ كرومر الليزر الذي اشتهر به؛ قامت مجموعة ألفيروف والمختبرات الصناعية بنمو البلورات الذي جعله حقيقياً، وشارك ألفيروف الجائزة لسبب وجيه. الأفكار التي لا يمكن اختبارها لمدة عقدين من الزمن رخيصة في التوليد ومكلفة في التحقق، وتتضمن سجلات كرومر مقترحات كانت مهمة فقط لأن الآخرين لديهم الصبر لتحقيقها. كان الزملاء يلجأون إلى وصف "رجل نبيل" و"معلم" أكثر من "عبقري". الحكم العادل هو أنه كان يتمتع بحدس فيزيائي موثوق بشكل غير عادي وأعصاب قوية لنشره في وقت مبكر.

الإرث

يعمل كل رابط ألياف ضوئية، ومضخم طاقة للهاتف المحمول، وجهاز إرسال عبر الأقمار الصناعية، ومصباح LED على المبدأ الذي جادل كرومر من أجله عندما لم يستطع أحد تنفيذه: أن هندسة مشهد فجوة النطاق داخل الجهاز أقوى من هندسة الجهاز حول مادة واحدة. توفي في 8 مارس 2024 في سانتا باربرا، عن عمر يناهز 95 عاماً، بعد أن عاش طويلاً بما يكفي لمشاهدة عالم يُبنى من شطائره.