הרברט קרמר: הפיזיקאי שתכנן התקנים בלתי אפשריים
בשנת 1963, בעת שעבד בחברת וריאן (Varian Associates) בפאלו אלטו, הציע הרברט קרמר לייזר המורכב משכבות סנדוויץ' של מוליכים למחצה שונים. איש לא היה מסוגל לבנות אותו. טכניקות גידול הגבישים הנדרשות לא היו קיימות, ולא היו צפויות להופיע במשך שנים רבות. הוא הציע זאת בכל זאת. שישה עשורים לאחר מכן, לייזר ההטרו-מבנה הכפול הוא מקור האור בתוך רשתות סיבים אופטיים, נגני תקליטורים, וכפי שכינה אותו עמיתו מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה (UCSB), ג'ון באוורס, ההתקן ש"אפשר את האינטרנט ושינה את העולם."
מוויימאר לגטינגן
הוא נולד ב-25 באוגוסט 1928 בוויימאר, למשפחה ללא כל רקע אקדמי: אביו היה פקיד ממשלתי, אמו עקרת בית, ואף אחד מהם לא סיים בית ספר תיכון. גרמניה קרסה סביב תקופת התבגרותו, והוא הגיע מתוכה אל הפיזיקה. באוניברסיטת גטינגן השלים תואר דיפלום ב-1951 ודוקטורט בפיזיקה עיונית ב-1952, כשהוא כותב עבודת דוקטורט על אפקטים של אלקטרונים חמים בטרנזיסטורים – נושא שהיה בן חמש שנים בלבד כשבחר בו, שכן הטרנזיסטור עצמו הוכרז בשנת 1947. זה היה הסימן הראשון להרגל שליווה אותו כל חייו: להיצמד לטכנולוגיות לפני שהן הגיעו לבשלות.
עשור חסר מנוחה בתעשייה
את שנות העשרים והשלושים לחייו בילה קרמר במעבר בין מעבדות תעשייתיות בשתי יבשות, דפוס שנראה מפוזר עד ששמים לב לכך שהוא המשיך לעבוד על אותו רעיון. הוא התחיל ב-1952 במעבדת המחקר לתקשורת של שירות הדואר הגרמני בדרמשטאדט. באמצע שנות ה-50 עבר למעבדות RCA בפרינסטון, ניו ג'רזי. בין השנים 1957 ל-1959 עבד במעבדת המחקר של פיליפס בהמבורג. בשנת 1959 עבר ל-Varian Associates בפאלו אלטו ונשאר שם לאורך העשור שהניב את עבודתו המשמעותית ביותר.
במהלך תקופה זו המציא את טרנזיסטור הסחף (drift transistor), התקן שהשתמש בפרופיל זיהומים מדורג כדי לדחוף נושאי מטען דרך הבסיס מהר יותר מכפי שפעפוע בלבד היה מאפשר. זו הייתה ראשיתו של רעיון שהוא יקדיש קריירה שלמה לפיתוחו: שניתן לתכנן את הנוף הפנימי של מוליך למחצה כדי לגרום לאלקטרונים להתנהג בדרכים שהטבע לא סידר מראש.
הטרנזיסטור שהזדקק לשני חומרים
ב-RCA פיתח קרמר את הקונספט של טרנזיסטור דו-קוטבי הטרו-מבני. התקני מוליכים למחצה קונבנציונליים בנויים מחומר יחיד – סיליקון, שעבר אילוח (doping) באופן שונה באזורים שונים. הצעתו של קרמר הייתה לחבר שני מוליכים למחצה שונים יחד, כך שהשינוי החד בפער האנרגיה בממשק יפעל בעצמו ככוח על נושאי המטען, שדה מעין-חשמלי ללא צורך במתח חיצוני. באמצע שנות ה-50 הוא זיהה את יתרונות הביצועים הספציפיים שזה יספק. הטיעון היה נקי מבחינה תיאורטית אך מוקדם מדי מבחינה מעשית; מדע החומרים הדרוש ליצירת ממשקים חדים ברמה האטומית בין גבישים שונים היה רחוק עשרות שנים.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →לייזר שאף אחד לא יכול היה לבנות
הצעת ההטרו-מבנה הכפול משנת 1963 הייתה אותו היגיון מיושם על אור. קרמר טען שאם נגביל גם את נושאי המטען וגם את הפוטונים בשכבה פעילה דקה בין שתי שכבות חיפוי בעלות פער אנרגיה רחב יותר, נקבל לייזר שיכול לפעול ברציפות בטמפרטורת החדר במקום בפעימות קריוגניות. זה היה עקרון התכנון שהפך את לייזר המוליך למחצה לאובייקט שמיש ולא לחידוש מעבדתי. ז'ורס אלפרוב (Zhores Alferov), שעבד באופן עצמאי בלנינגרד, חקר את אותו תחום; בשנת 2000 חלקו השניים את פרס נובל לפיזיקה "על פיתוח הטרו-מבנים של מוליכים למחצה המשמשים באלקטרוניקה מהירה ואופטו-אלקטרוניקה."
בשנת 1964 פרסם קרמר את ההסבר הנכון הראשון לאפקט גאן (Gunn effect), המנגנון שמאחורי תנודות חשמליות בתדר גבוה במוליכים למחצה מסוימים – דוגמה נוספת להגעה לפיזיקה לפני שהתחום הגיע להסכמה על השאלה עצמה.
סנטה ברברה וההימור על תרכובות
הוא נכנס לאקדמיה בשנת 1968 כפרופסור להנדסת חשמל באוניברסיטת קולורדו בולדר, וב-1976 עבר לאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, שם החזיק בקתדרה ע"ש דונלד ו. ויטייר להנדסת חשמל עם מינוי משולב במחלקה למדעים וחומרים. שם הוא ביצע הימור מוסדי שהיה קונטרריסטי כמו ההימורים המדעיים שלו: הוא שכנע מחלקה להשקיע במוליכים למחצה מורכבים – גליום ארסניד ונגזרותיו – במקום בסיליקון ששלט בכל. הוא היה החבר הראשון במה שהפך לקבוצה מובילה בעולם. הוא גם הפך לנסיין בשלב מאוחר בקריירה, והוביל את תחום האפיטקסיה של קרן מולקולרית (molecular beam epitaxy) ב-UCSB, תוך יישומו על מערכות חומרים שאף אחד לא ניסה, ולבסוף בנה את הממשקים המדויקים ברמה האטומית שהתיאוריה שלו משנות ה-50 הניחה. הוא פרש לגמלאות ב-2012.
מורה, כותב ספרי לימוד, ג'נטלמן
קרמר כתב שני ספרי לימוד בעלי בהירות יוצאת דופן: פיזיקה תרמית (Thermal Physics), שהוציא מהדורה שנייה שלו עם צ'ארלס קיטל בשנת 1980, ומכניקת קוונטים להנדסה, מדע החומרים ופיזיקה יישומית. עמיתים זכרו אדם בעל חוש הומור חד שהיה מדבר על פיזיקה עם מבקר מבית ספר יסודי באותה קלות שבה דיבר עם סטודנט לתארים מתקדמים, וששאל שאלות קשות בסמינרים מבלי לגרום לתשובה להישמע כמו פסק דין. הדיקן אומש מישרה השווה אותו לגורו במובן ההודי – מישהו שמעביר "מוסר, אתיקה, מנהיגות, אדיבות ונדיבות" יחד עם התוכן הטכני. שוג'י נקאמורה ייחס לקונספט ההטרו-מבנה של קרמר את האפשרות להמצאתו שלו – הלד הכחול. קרמר הפך לאזרח ארה"ב ב-2003 והיה אתאיסט גלוי לב: הוא אמר שדת היא "רק משאלת לב."
מדוע הרברט מכונה גאון
היכולת המובחנת כאן היא פיזיקה התקנית צופה פני עתיד: היכולת להסיק נכונה לגבי התנהגות של מבנה שעדיין לא ניתן לייצור, ולבטוח בהסקה במשך עשרים שנה בזמן שכל השאר מחכים לעדות. קרמר תיאר את הגישה הזו בעצמו, ללא צניעות מזויפת וללא טענה לגאונות: "מההתחלה, תמיד התעניינתי בדברים שהיו כמה דורות קדימה ממה שאנשים יכלו לעשות. צעדים קטנים לא באמת עניינו אותי. התעניינתי בצעדים גדולים." עצתו לעמיתים צעירים נגזרה מכך – עבדו על מה שמעניין אתכם, התעלמו מיישומים, היו אופורטוניסטים.
מה שהתיעוד תומך בו בפועל הוא שיקול דעת ולא כוח עיבוד גולמי. שלוש פעמים – הטרנזיסטור ההטרו-צומתי, לייזר ההטרו-מבנה הכפול, ואפקט גאן – הוא זיהה את העיקרון הפיזיקלי הנכון שנים לפני הקהילה ולפני הטכנולוגיה. זהו שיעור הצלחה נדיר, וזו הסיבה שוועדת פרס נובל, חבר השופטים של מדליית הכבוד של ה-IEEE ב-2002, והמדינה הגרמנית עם הצלב הגדול של מסדר ההצטיינות שלה, הסכימו כולם בסופו של דבר.
טיעון הנגד הוא כנה וראוי לציון. קרמר לא בנה את הלייזר שפרסם אותו; הקבוצה של אלפרוב ומעבדות תעשייתיות ביצעו את גידול הגבישים שהפך אותו למציאות, ואלפרוב חלק את הפרס מסיבה טובה. רעיונות שלא ניתן לבדוק במשך שני עשורים הם זולים לייצור ויקרים לאימות, והתיעוד של קרמר כולל הצעות שהיו משמעותיות רק בגלל שאחרים גילו סבלנות לממש אותן. עמיתים נטו יותר לכנות אותו "ג'נטלמן" ו"גורו" מאשר "גאון". פסק הדין ההוגן הוא שהייתה לו אינטואיציה פיזיקלית אמינה באופן יוצא דופן ואת האומץ לפרסם אותה מוקדם.
מורשת
כל קישור סיב אופטי, מגבר הספק של טלפון נייד, משדר לווייני ונורת לד פועלים על פי העיקרון שקרמר טען לו כשאיש לא יכול היה ליישם אותו: שתכנון נוף פער האנרגיה בתוך התקן הוא עוצמתי יותר מתכנון ההתקן סביב חומר בודד. הוא הלך לעולמו ב-8 במרץ 2024 בסנטה ברברה, בגיל 95, לאחר שחי מספיק זמן כדי לראות עולם שנבנה מתוך ה"סנדוויצ'ים" שלו.