סער רהב

במכניקה סטטיסטית נעזרים ברעיונות מתחום ההסתברות כדי למצוא חוקים פשוטים שמתארים מערכות מורכבות. גישה זו קצרה  הצלחות רבות עבור מערכות בשווי משקל תרמי, אולם שאלות רבות נותרו ללא מענה עבור מערכות שאינן בשווי משקל. התחום של חקר מערכות מחוץ לשווי משקל חווה פריחה מדעית בשנים האחרונות. שיפורים ביכולת הטכנולוגית מאפשרים לנו לבחון מולקולות בודדות, לשלוט על תנועתן, ואף לנסות להשתמש בהן כבמכונות. בנוסף, הבנתנו את התיאוריה של מערכות מחוץ לשווי משקל התקדמה עם הגילוי של יחסי פלקטואציה. יחסים אלו משווים את ההסתברויות של תוצאות מדידה הקשורות על ידי היפוך זמן ומקשרים את התוצאה לגדלים כגון עבודה או חום. יחסים מסוג זה תקפים גם עבור מערכות שנדחפות הרחק משווי משקל.

מערכות מיקרוסקופיות נמצאות בסביבה שונה לגמרי מהסביבה המוכרת לנו מחיי היום-יום. עצם מיקרוסקופי יכול להיות מופצץ באופן רציף על ידי מולקולות הנמצאות בסביבתו, כגון מולקולות ממס. כתוצאה מכך העצם יבצע תנועה שיש בה מרכיב אקראי. מכאן נובע שמכונות מולקולריות לא יכולות לפעול באופן הסדור שלו אנו מצפים ממכונה מקרוסקופית. המחקר שלנו נועד לשפר את ההבנה הבסיסית שלנו לגבי מערכות קטנות מחוץ לשווי משקל. אנו מחפשים חוקים כללים המתארים את התנהגותן, מנסים להבין את הסבירות של מאורעות נדירים, ולתאר איך ניתן להפעיל אותן כמכונה.

המחקר הנוכחי שלנו מתרכז בכמה כוונים שנוגעים בנושאים בסיסים אלו:

1. חקר ההשפעה של אפקטים קוונטיים על תכונות תרמודינמיות. מרבית ההתקדמות בהבנה הבסיסית של התרמודינמיקה של מערכות קטנות הושגה עבור מערכות קלאסיות. התוצאות הורחבו מאוחר יותר גם עבור מערכות קוונטיות, אולם ההבנה שלנו לגבי התפקיד של אפקטים קוונטיים כמו קוהרנטיות או דעיכה ספונטנית היא מוגבלת. מטרת המחקר שלנו לתקן זאת. לאחרונה חקרנו מודל של מכונת חום קוונטית שבו קוהרנטיות מופיעה כתוצאה של צימוד לפוטונים תרמיים. מצאנו שיח ספלקטואציה שאינו תלוי בקוהרנטיות מתקיים על אף שהפלקטואציות מסביב למצב עמיד מושפעות מהקוהרנטיות. בכוונתנו להבין מדוע יחסים מסוג זה תקפים ובאילו תנאים הם עלולים להישבר. לאחרונה גם עסקנו בשאלה איך ניתן להגדיר עבודה במסגרת מכניקת הקוונטים.
2. פיתוח התיאוריה של משאבות סטוכסטיות. משאבות סטוכסטיות הן סוג של מכונה מולקולרית אשר מונעת על ידי שינוי מחזורי של פרמטרים בזמן. סוג הנעה זה שימש לאחרונה במספר ניסויים שבהן נבנו מכונות מולקולריות מלאכותיות. אחת ממטרות המחקר היא לאפיין את התכונות התרמודינמיות של משאבות סטוכסטיות ולהשוותן למנועים מולקולריים המופעלים על ידי כך קבוע בזמן, לדוגמא המנועים המולקולריים שנמצאים בתאינו. מטרה נוספת היא למצוא איך להניע משאבות סטוכסטיות בצורה שתוביל להספק או ליעילות מקסימלית. לאחרונה אנו מתעניינים בתפקיד שיכול להיות לאינטראקציה בין חלקיקים במערכות כאלו.
3. הבנת הקשרים העמוקים בין מידע ותרמודינמיקה. בניסוי מחשבתי מפורסם הראה מכסוול שניתן להוציא עבודה נוספת ממערכת אם מודדים את מצבה המיקרוסקופי ומשתמשים במידע זה. השאלות העמוקות הקשורות ליחסי הגומלין בין מידע ותרמודינמיקה הפכו לעכשוויות עקב התפתחות הטכנולוגיה שמאפשרת לנו לעקוב אחרי מערכות קטנות בזמן אמת. אנו חקרנו כיצד שימוש במדידה ומשוב יכול להשפיע על חישוב הפרשי אנרגיה חופשית. אנו גם משתפים פעולה עם קבוצתה של פרופ’ רויכמן מאוניברסיטת תל-אביב בניסוי שמטרתו היא בניית שדון של מכסוול.

את לימודי הדוקטורט שלי עשיתי הפקולטה לפיזיקה בטכניון בהנחייתו של פרופ’ שמואל פישמן. החלק הארי של המחקר שלי בתקופה זו היה בתחום שנקרא כאוס קוונטי שעוסק בהשפעת תכונות דינמיות קלאסיות של מערכת על המערכת הקוונטית המתאימה לה. המחקר שלי עסק בסטטיסטיקה של רמות האנרגיה על מערכות שיש בהם סינגולריות נקודתית. חלק אחר של המחקר שלי עסק במערכות שמופרעות בצורה מחזורית מהירה, ובניסיון לתאר אותן בקירוב על ידי מערכות שאינן תלויות זמן.

ב2004, לאחר קבלת תואר ד”ר, התחלתי פוסטדוקטורט עם פרופ’ פיט בראוור באוניברסיטת קורנל. המחקר שלי בתקופה זו עסק באפקטים קוונטים בהלכה.

בשנת 2006 עברתי לאוניברסיטה של מרילנד בה עבדתי עם פרופ’ כריסטופרג’רזינסקי. בתקופה זו שיניתי לגמרי את תחום המחקר שלי, ועברתי לעסוק במערכות קטנות שמונעות אל מחוץ לשווי משקל. זהו גם התחום בו אני מתמקד היום. המחקר שלי בתקופה זו עסק במשפטי פלקטואציה ובמודלים של מכונות מולקולריות שמונעות בצורה מחזורית בזמן, כמו משאבות. בשנת 2008 עברתי לאוניברסיטה של קליפורניה שם עבדתי עם פרופ’ שאול מוכמל. בתקופה זו הוספתי לתחומי העניין שלי גם נושאים הקשורים לספקטרוסקופיה לא-ליניארית.

הצטרפתי לפקולטה לכימיה ע”ש שוליך באוקטובר 2010.

פרסים

חבר בתוכנית המיוחדת לסטודנטים מצטיינים, טכניון, 1993-1997

מלגת גוטווירט, 1997-1999

מלגת וולף, 2002

מענק ע”ש הנרי גוטווירט לקידום מחקר, 2015