• lior samuel

פרופסור אפשטיין ילמד אתכם לבנות עדשה מפיסות מתכת

עודכן: 8 בספט׳ 2021


פרופסור אריאל אפשטיין, מחזור א', הנדסת חשמל פיסיקה, טכניון

עד כדי הורדת הילוך לצורך השירות שלו, נראה שאריאל אפשטיין מעולם לא עזב את ספסל הלימודים. לאחר שירות במשרד הביטחון, מסלול ישיר לדוקטורט בארץ ופוסט-דוקטורט בטורונטו, הוא חזר לפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים בטכניון כחוקר של מטא חומרים אלקטרומגנטיים. כיום פרופסור אפשטיין מלווה את התוכנית כמרצה בכיר בטכניון, והסכים לספר לארגון הבוגרים על המסלול שלו - במסגרת שעות הקבלה כמובן.


אז פרופסור אפשטיין, בתור חניך במחזור א' איך בכלל שמעת על תוכנית פסגות ומה גרם לך להצטרף?

אני לא יודע אם הקונספט הזה עדיין מוכר, אבל פעם אנשים היו מתעדכנים באקטואליה דרך מדיום מבוסס נייר שנקרא "עיתון". בתיכון למדתי אלקטרוניקה, דחסתי באותו זמן גם כמה קורסים במדעי המחשב באוניברסיטה הפתוחה ופיסיקה מאוד סיקרנה אותי. מעל הכל רציתי לקחת את האתגר להיות מצויין, ותכנית פסגות סיפקה את כל הדברים הללו. חוץ מזה, בהינתן שגדלתי וגרתי בקריות, ללמוד בטכניון נשמע מאוד נוח. מה עוד אפשר לבקש?


ספר לי קצת על השירות שלך.

אחרי סוף הלימודים הגעתי לשירות במשרד הביטחון, וזה היה שינוי מאוד גדול בחיים שלי. גם כי עברתי לגור במרכז, אבל בעיקר כי התחלתי לעבוד עם אנשים מעולים ומנוסים. פתאום הייתי צריך להתנהל באופן עצמאי גם אישית וגם מקצועית, ומצאתי את עצמי כמעט מיידית משתלב בצוות מחקר ייחודי וקטן (שבהמשך הובלתי), שלא היה לו אח ורע מחוץ ליחידה. בנוסף לעובדה שהיינו צריכים ללמוד את הנושא מאפס, תוך פגישות תכופות עם אנשי אקדמיה ותעשיה, זה היה מדהים לקבל כל כך מהר השפעה ישירה על אופי הפרויקט וכיווני ההתפתחות שלו. כשנכנסתי לקבע זרקו אותי למים ומינו אותי לראש פרויקט גדול ומולטידיסיפלינרי, מה שלחלוטין שינה את החשיבה שלי על ניהול אנשים ומשאבים. זה היה מוזר להיות בשלב הביניים הזה שבו אתה מגלה משהו בבוקר, צריך לשקף את זה להנהלה בצורה רגועה בצהריים, ולחשוב איך זה ישפיע על האסטרטגיה שלך בערב. הצורך לשקף את הפרויקט בצורה שתסנן רעשים כלפי מעלה ולנהל את הצוות בצורה שתסנן רעשים מהכיוון ההפוך לימד אותי המון על הבדלה בין עיקר וטפל. בעיקר למדתי הרבה על עבודה עם אנשים - עמיתים, מנהלים, צוות מחקר, צעירים ומבוגרים - דברים שלקחתי איתי ואני מנסה ליישם מאז בכל האינטראקציות שלי.


ואחרי כל הקריירה הזו בניהול טכנולוגי חזרת ללימודים? איך זה קרה?

המעבר הזה לא היה כל כך חד. כבר אחרי שחזרתי מההשלמה, החברים ביחידה המליצו לי לצאת ללימודים תוך כדי השירות. בהתחלה זו פשוט הייתה הטבה שחבל לא לנצל, אבל אחרי כמה שבועות שמצאתי את עצמי יוצא מהשגרה הלחוצה של המשרד, מגיע לטכניון והולך לפקולטה דרך החורשות השקטות מסביב הבנתי ששינוי הפאזה הזה מאוד קוסם לי. ככה גם קרה שכשהציעו לי בהמשך לעשות מסלול ישיר לדוקטורט לקחתי את זה בשתי הידיים. בתזת הדוקטורט שלי חקרתי איך אפשר לשפר את המבנה של organic LED מבחינה אופטית, שזה משהו שהיה מאוד חלוצי בזמנו אבל מזה מספר שנים כבר מחליף את מסכי ה- LCD בהרבה מקומות (למשל, בכל הטלפונים הסלולריים של Samsung).

המחקר התמקד בשימוש בשיטות אנליטיות כדי לנתח את התופעות האלקטרומגנטיות בתוך ההתקן ומשך אותי חזק לתוך העולם הזה. הבנתי שאלה הכיוונים שארצה לחקור בהם בהמשך; כך, כשחיפשתי נושא למחקר פוסטדוקטורט, הגעתי לתחום של מטא-חומרים (יותר נכון מטא-משטחים) אלקטרומגנטיים.


אוקיי, בעוונותי אני מגיע מהחלק של הנדסת תוכנה בפסגות, אז אני אצטרך שתסביר לי רגע מה הם המטא-חומרים האלקטרומגנטיים האלה.

תכונה מעניינת של גלים, היא שאם יש לך אלמנט קטן משמעותית מאורך הגל שאתה עובד איתו, הגל מתייחס אליו כמשהו נקודתי. באופן דומה, אם יש לך אלמנטים צפופים מאוד ביחס לאורך הגל על פני מישור, מבחינת הגל האלקטרומגנטי הם מהווים משטח רציף.

הדוגמה הכי טובה היא בתנור המיקרוגל שיש בכל משרד ובית. הרשת שמגינה על דלת המיקרוגל מלאה בחורים, אבל מבחינת גלי המיקרו עצמם, החורים כל כך קטנים שהגל לא מסוגל לעבור בהם, מה שהופך את הרשת למחסום אטום עבורם.

אבל אפשר לעשות גם דברים יותר מתוחכמים מלחסום גלים. למשל, בוא נניח שאנחנו רוצים לבנות אנטנה כיוונית כלשהי, כדי שנוכל לתקשר עם לווין מרוחק ולגלוש באינטרנט בזמן שאנחנו נוסעים במכונית שלנו במדבר (או שטים ביאכטה).

דרך אחת לעשות את זה היא לשים מקור קרינה קטן (זן) ולמקד אותו באמצעות צלחת - אבל המכשיר הזה הוא גדול ומסורבל יחסית (דמיינו צלחת כזו על גג של מכונית). דרך אחרת היא להשתמש בהרבה מקורות קורנים קטנים (מערך אנטנות) כדי ליצור התאבכות בכיוון הרצוי - אבל זה דורש הרבה מגברים ומאמץ תכנוני כדי לתאם את הפאזה של כל המקורות, מה שבדרך כלל גובה מחיר גם בהיבט צריכת האנרגיה .

מה שעשינו במקום זה היה לשים מקור בודד פשוט בתוך תיבה שחמש מהפאות שלה מחזירות את הגל (קצת כמו בתיבת תהודה של כלי נגינה), והפאה השישית עשויה ממטא-משטח פאסיבי (שילוב של פיסות מתכת בצורות מיוחדות על גבי מצע סטנדרטי) שדואג גם להחזרה מספקת בתיבה וגם מקבע את פאזת הגל היוצא.

כך יוצא שהגל - במקום להתפזר מהמקור שלו לכל הכיוונים - מתועל כולו באותו הכיוון בצורה נקייה!

הסקרנים מביניכם מוזמנים לקרוא עוד במאמר שפרסמנו.


בתמונה למעלה: תיבת התהודה האמורה. על צידה העליון מהודק פס המטא-משטח. ההדפסים בצורת I על הפס מקנים לו את התכונות האלקטרומגנטיות הרצויות.

אה, אוקיי, אז המחקר שלך עוסק בהרכבה של מערכים צפופים כאלה, שבאופן קסום מתנהגים כמו משטח מהסוג שהיית רוצה, אבל לא בהכרח קיים כחומר אמיתי?

ובכן כן, אבל למעשה לא.

כשחזרתי לטכניון לקראת סוף 2016 ביליתי הרבה זמן במחשבות על "אם הייתי יכול לעשות X עם גלים, זה היה מגניב". כמו תיבת התהודה שתיארתי למשל. אבל התהליך היה ממש קשה ולקח הרבה מאוד זמן להבין האם דבר שאפשרי בתאוריה הוא באמת ניתן למימוש בפרקטיקה. למעשה, זו היתה בעיה שהטרידה הרבה מהעוסקים בתחום: בעוד שפותחו כלים מאוד יעילים לפתרון תיאורטי של בעיות שנחשבו קשות מאוד עד לא מזמן (כמו הסטה מושלמת של אלומות לזוויות לוחכות), המעבר ליישום בפועל נעשה באופן מסורבל, ולעיתים קרובות הביא לביצועים נמוכים בהרבה מהתחזיות.

אבל בהמשך אותה השנה נתקלתי במאמר פורץ דרך, שהציע להתייחס למטא-חומרים בצורה אחרת: מה אם במקום לבנות שכבות מסודרות של אלמנטים צפופים כדי לחקות משטח אחיד עם תכונות רציפות (כמו ברשת המיקרוגל הביתי), פשוט ננסה להתפרע עם האלמנטים ולהרכיב אותם כמו לגו? אולי במקום לצפות שהגלים יתרכזו באופן גיאומטרי כמו בעדשת משקפיים, ננסה לגרום להם להתאבך בצורה הזויה לחלוטין שתביא לאותו האפקט? התקווה הייתה שהשבירה של ההומוגניות המשעממת הזו תאפשר לנו לעשות דברים אפילו יותר מדהימים עם גלים משהצלחנו בעבר.

התמונה למעלה היא הדגמה מופשטת בלבד. בפועל המעבדה עובדת עם גלים בתדרי מיקרוגל ולא עם אור נראה, אבל הצורך למקד את הגלים כמו עם עדשה נשאר רלוונטי.

מה שאנחנו עושים במעבדה משנה את המחקר של מטא-חומרים בשתי צורות: כבר הסברתי את השינוי בצורת המימוש, אבל שינוי משמעותי לא פחות הוא בשיטת המחקר.

מה שנהוג היה לעשות הוא להתחיל מדרישה מופשטת כלשהיא: למשל, אני רוצה עדשה עם מרחק מוקד מסויים עבור אורך גל מסויים. הדבר הבא שהיינו עושים הוא להשתמש במשוואות מקסוול כדי למצוא תנאי שפה למטא-חומר שיקיים את הצורך שלנו: יגרום לשינוי חד בתכונות הגל כך שיתרכז בנקודה הרצויה. את תנאי השפה הללו לא באמת ידענו איך לממש במציאות והאם זה בכלל אפשרי או לא, אז משם היינו יוצאים לחיפוש ארוך עבור תכן שעשוי לקיים את תנאי השפה שאנחנו מחפשים. זה תהליך שכולל הרבה ניחושים, סימולציות, והתאמות, שלפעמים מביא תוצר ולפעמים מביא יאוש ויגון על החוקר וכל הקרובים אליו.

כיום אנחנו עדיין מתחילים מדרישה, אבל במקום לחפש תנאי שפה תיאורטיים , אנחנו מנסים לבנות ישירות את התווך המרוכב המתאים מתוך מאגר של אלמנטים שמוכרים לנו. אנחנו מתחילים ממודלים (חצי) אנליטיים שיכולים לתאר בצורה אמינה את האינטרקציה בין כל האלמנטים לשדות האלקטרומגנטיים, תוך התחשבות בצורת ומימדי החלקיקים (פיסות מתכת, בדרך כלל) והמיקום שלהם. משם, המחשב מסוגל לפתור את המשוואות על בסיס המודל הזה כמו בעיית אופטימיזציה. היופי הוא, שמכיוון שהתחלנו מאלמנטים מציאותיים, ולקחנו בחשבון את הגיאומטריה שלהם ואת התכונות המלאות שלהם (למשל, הפסדים) הפתרון שנמצא כבר כולל את התכן המפורט של ההתקן, שניתן מיד להעביר לייצור בתהליכים סטנדרטיים (מעגל מודפס, כמו אלה שנמצאים בכל מחשב ביתי).. זה מאפשר לנו לעבור מהר לשלב הניסויים בפועל. כמה מהר? הצלחנו לקצר כך תהליך מחקר של חצי שנה, לחצי יום, וזה מאפשר לנו לפתח התקנים חדשים (וללמוד תובנות חדשות) באופן הרבה יותר זריז! בנוסף, הואיל ואין שלב ביניים בין התכן התיאורטי האידיאלי ולבין המימוש בפועל על כל מגרעותיו, החומרים המלאכותיים החדשים שאנחנו מרכיבים מציגים ביצועים כמעט אופטימליים, עם יעילויות שנושקות ל-100% במקרים מסוימים. אז הצלחנו לבנות את העדשה שרצינו, וגם על זה פירסמנו מאמר.


בתמונה, פרופסור אפשטיין מקיים את ההבטחה שלו. המספר N מראה את כמות הרכיבים המודפסים במחזור אחד של המטא-משטח שלנו. אפשר לראות שכשמפזרים מספיק קבלים בצורה הנכונה, מתקבלת העדשה המובטחת!

אילו תובנות עדיין מלוות אותך מימי התוכנית?

למרות שעשיתי מו"פ בשנתיים הראשונות לשירות הבטחוני שלי, מה שהשאיר עלי חותם הם הצדדים היותר ניהוליים. השירות נתן לי המון כלים בהיבט הזה שעדיין משרתים אותי ביום-יום שלי, בעיקר בעבודה עם אנשים, גם באקדמיה (למרות השוני הגדול באופי העבודה). דבר אחד חשוב שלמדתי, הוא שצריך להתייחס לכל איש ואישה שמבצעים עבודה, קטנה כגדולה, כשותפים לדרך. להקשיב, לתת קרדיט, להעצים.

אתן לך דוגמה קטנה מתחום ההוראה, שהוא כביכול פחות קשור, אבל גם אליו אפשר להשליך את הרעיונות האלה. כשאני מלמד, גם קורסים גדולים, אני משתדל ללמוד תוך כדי הסימסטר את שמות הסטודנטים ולפנות אליהם בשמם; או לפנות לקהל גם בלשון זכר וגם בלשון נקבה כשאני שואל שאלה את הכיתה. אלה נראים דברים פעוטים לכאורה, אבל למדתי מניסיון שמתן יחס אישי (במיוחד במקום שאולי פחות מצפים לו) גורם לחיזוק תחושת השייכות והמוטיבציה לפעול יחד (ולהצליח!). וגם למדתי שחשוב לחייך :-) אין כמו גישה חיובית כדי לקדם שיתוף פעולה. בעיסוק הבטחוני נתקלתי גם בעולם תוכן אקזוטי שלא נתקלים בו מחוץ לשירות, אז אני שמח על החווייה הייחודית שהייתה לי. וכמובן, יש לי כמה חברים טובים שנשארו איתי מאז.


איך אתה מאזן את עבודת המחקר עם חיי המשפחה שלך?

לאשתי יוליה ולי יש שלושה ילדים: כרמל (9), אשל (7) ועיטם (3). מבחינתנו היום מתחיל בלשים את הילדים במסגרות ומסתיים בלאסוף אותם מהמסגרות. כברירת המחדל גם אני וגם אשתי נמצאים שם, ואם צריך אז משלימים שעות עבודה בערב, אחרי שהילדים הולכים לישון. אנחנו מאוד אוהבים לטייל ויוליה היא מתכננת קמפינג בחסד, אז יש לנו הרבה זמן איכות בטבע בסופי השבוע. העבודה אמנם תובענית, אבל אני באמת מרגיש בר מזל על הגמישות שיש לי במשרה כדי לבלות את הזמן הזה עם המשפחה, לא בכל מקום זה עובד ככה.


מה המסר שלך לדורות הבאים?

אל תפחדו לנסות דברים. אני נתקל בהרבה חבר'ה צעירים שמנסים להיות מאוד שקולים ולקבל החלטות בצורה מחושבת... לאנשים יש הרבה שאלות לגבי "מה אני הולך ללמוד? האם זה ישרת אותי בהמשך? מה השלב הבא בחיים שלי?" לדעתי אתם צריכים לסמוך יותר על תחושות הבטן שלכם ולהאמין באינטואיציה שלכם. אני קיבלתי ככה המון החלטות בצורה שחסכה לי שברון לב. היו לי גם מקרים שנראו כמו הדבר הנכון לעשות על הנייר, אבל זה לא "הרגיש נכון" וויתרתי בלי להתחרט. יש הרבה הזדמנויות שאי אפשר לדעת מראש במה הן יסתכמו, אז קחו צ'אנס ולכו עם הלב שלכם.

אה כן, ובואו לעשות תארים גבוהים. זו חוויה מאוד ייחודית, שאני לא חושב שקיימת במסגרות אחרות - בסופו של יום, משלמים לכם משכורת כדי שתלמדו, תחקרו ותפתחו נושא שמעניין אתכם לעומק, עם הרבה חופש לקחת את הדבר הזה לכיוונים שמעניינים אתכם/ן. ומי יודע, אולי בסוף תגלו שזה מה שתרצו לעשות כשתהיו גדולים :-) .



אתם יכולים לקרוא עוד על פרופסור אפשטיין באתר המעבדה לאלקטרומגנטיות יישומית (META) , או לראות את ההרצאה המקוצרת על המחקר שלו.


חזרה לאסופת סיפורי הבוגרים.

718 צפיות0 תגובות

פוסטים אחרונים

הצג הכול