על-מוליכות היא תופעה מיוחדת ומרתקת המתרחשת בטמפרטורות נמוכות במיוחד, אם כי כפי שנסביר בהמשך נעשה מאמץ ניכר לשחזר את התופעה בטמפרטורות כמה שיותר גבוהות. בכתבה זו נסקור בקצרה את מהות התופעה, נגלה מהם הסוגים השונים של מוליכי-על וננסה להבין מה כל כך מעניין בתופעה הזאת.

על-מוליכות הינו מצב מיוחד של החומר שמתאפיין בשתי תכונות עיקריות: התנגדות חשמלית נמוכה במיוחד של החומר ותגובתו לנוכחות של שדה מגנטי חיצוני.

איפוס ההתנגדות החשמלית

נפתח בהתנגדות החשמלית, שממנה התופעה קיבלה את שמה. כשמקררים חומר רגיל, למשל מתכת, התנגדות החומר הולכת וקטנה בהדרגה. מאחר שאף חומר אינו מושלם ובכל חומר יש זיהומים ואי-סדרים, חוסר השלמות הזו מציב בסופו של דבר גבול תחתון להתנגדות החומר, שמתחת לו ההתנגדות נשארת ללא שינוי גם כשממשיכים לקרר את החומר. כך יוצא שאפילו בטמפרטורה של אפס מעלות קלווין (האפס המוחלט), או קרוב אליה, עדיין יש לחומר התנגדות סופית.

בעל-מוליכים, לעומת זאת, התמונה שונה. בחומרים האלה הההתנגדות הולכת ויורדת ככל שהטמפרטורה יורדת, עד שאנו מגיעים לטמפרטורה מסוימת הנקראת "טמפרטורה קריטית". כשהחומר מתקרר מתחת לטמפרטורה הזו, החומר עובר למצב העל-מוליך שלו והתנגדותו צונחת בבת אחת לערך אפסי. משמעות הדבר היא שזרם שיעבור דרך העל-מוליך לא ייצור בו מפל מתח, ולכן גם לא יחמם את המוליך ושום אנרגיה לא תאבד.

אחת המסקנות מכך היא שכאשר עובר זרם בטבעת סגורה שעשויה מעל-מוליך, די אם נזריק את הזרם לטבעת בהתחלה ולאחר מכן לא צריך להמשיך ולהשקיע אנרגיה כדי לקיים את הזרם. הזרם פשוט ימשיך לזרום בטבעת לעד, או לפחות לזמן רב מאוד, מפני שעל פי חלק מההערכות הנוכחיות נראה שההתנגדות של מוליכי העל אינה אפס אלא רק נמוכה במידה כזאת שאיננו מסוגלים למדוד.

התכונה הייחודית: תגובה לשדה מגנטי

התנגדות אפסית אינה תכונה ייחודית לעל-מוליך. בתיאוריה גם מוליך מושלם חסר זיהומים יכול להגיע להתנגדות אפסית, אבל זה יקרה רק בקור של אפס מעלות קלווין. התכונה השנייה, הקשורה לתגובת מוליכי העל לשדה מגנטי, מפרידה אותם לחלוטין ממוליכים אידיאליים, שהשדה המגנטי חודר לתוכם בקלות.

כשמפעילים שדה מגנטי חיצוני ליד על-מוליך, למשל בעזרת מגנט, מתרחשת תופעה שנקראת אפקט מייסנר. העל-מוליך מנסה למסך את השדה החיצוני, כך שהשדה המגנטי בתוכו יישאר מאופס. כדי שזה יקרה, נוצרים זרמים על שפתו של העל-מוליך, שכאמור זורמים ללא התנגדות ובלי בזבוז אנרגיה. כתוצאה מכך נוצרת דחייה בין העל-מוליך למגנט.

עם זאת, על-מוליכים אינם מסוגלים למנוע משדה מגנטי גדול מאוד מלחדור לתוכם. אם נגדיל יותר ויותר את השדה המגנטי החיצוני, יגיע לבסוף השלב שבו השדה יצליח לחדור לתוך העל-מוליך. השדה הזה נקרא "השדה הקריטי". הצורה שבה התהליך הזה מתרחש מחלקת את מוליכי העל לשני סוגים:

א) על-מוליכים מסוג 1: בעל-מוליכים האלה קיים שדה קריטי יחיד. כשערך השדה המגנטי החיצוני מגיע לערך השדה הקריטי, השדה המגנטי אל העל-מוליך באופן רציף, תופעת העל-מוליכות נפסקת והחומר חוזר למצבו הרגיל. ערך השדה הקריטי תלוי גם בטמפרטורה, כך שככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך יגדל ערכו של השדה הקריטי.

ב) על-מוליכים מסוג 2: לעל-מוליכים מסוג 2 יש שני שדות מגנטיים קריטיים. הראשון, שנקרא "שדה קריטי 1" הוא הנמוך יותר – כל עוד ערך השדה המגנטי החיצוני נמוך ממנו, אפקט מייסנר מתרחש במלואו והעל-מוליך דוחה לחלוטין את השדה המגנטי החיצוני לחלוטין, כמו במוליך-העל מהסוג הראשון. כשהשדה המגנטי עובר את הערך הזה הוא מתחיל לחדור אל תוך העל-מוליך, אולם רק באופן חלקי. במקום שתופעת העל-מוליכות תיהרס לחלוטין, מתרחשת תופעת ביניים שבה השדה חודר לחומר באופן לא רציף ונוצרות בו מערבולות קטנות של זרמים חשמליים. במרכז המערבולות האלה מצב העל-מוליך נהרס והשדה המגנטי חודר לתוך החומר רק בנקודות האלו.

במצב הזה, בניגוד למוליכי-על מטיפוס 1, התנגדות החומר ממשיכה להיות אפסית.

כאשר השדה המגנטי ממשיך להתחזק, נוצרות בחומר יותר ויותר מערבולות, עד שבסופו של דבר השדה מגיע לערך הקריטי השני, "שדה קריטי "2, שבו החומר מפסיק לחלוטין לתפקד כעל-מוליך, השדה חודר אליו באופן רציף והתנגדותו עולה לערך סופי.

היתרון של על-מוליכים מסוג 2 הוא שערכו של שדה קריטי 2 לרוב גבוה מאוד, ולכן אפשר לנצל אותו לבניית מכשירים שיעמדו בשדות מגנטיים גבוהים.

למה זה קורה?

ההסבר התיאורטי לתופעת העל-מוליכות הבסיסית התגלה כבר בשנת 1957, בתיאוריה הקרויה BCS.

כדי להבין את התופעה עלינו להבין קודם איך עובדת ההולכה החשמלית במוליך רגיל. כשאנו יוצרים מתח חשמלי בין שני הצדדים של מוליך, המתח הזה מאיץ את האלקטרונים ויוצר זרם. האלקטרונים נעים בחומר כמעט בחופשיות, בלי לחוש בסריג היונים שממנו החומר בנוי. אילו היה החומר מורכב מסריג מושלם, התנגדותו הייתה אפסית. בפועל קיימים אי סדרים בחומר, למשל בעקבות זיהום כיון של חומר אחר שחדר פנימה או יון של אותו חומר שזז מעט ממקומו עקב תנודות טבעיות (שמתוארות על ידי "פונונים" חלקיקי קול), והפגמים האלה מעלים את ההתנגדות.

האלקטרונים מתנגשים באי הסדרים הללו ובכל התנגשות כזאת האלקטרונים מאבדים אנרגיה ומעבירים אותה לסריג היונים, כלומר מחממים את החומר. אחרי ההתנגשות כיוון תנועתם אקראי ומהירותם משתנה. בעקבות זאת האלקטרונים לא מאיצים באופן רציף, אלא עושים זאת במקטעים קצרים בין התנגשות להתנגשות, עד שהם מגיעים למהירות ממוצעת קבועה ונוצר זרם קבוע.

העברת האנרגיה הזו בין הסריג לאלקטרונים במהלך ההתנגשויות הללו היא שגורמת להתנגדות הסופית של החומר. מכאן גם אפשר להבין מדוע התנגדות הזו יורדת ככל שהטמפרטורה קטנה, שכן אז כמות הרעידות של הסריג (הפונונים) הולכת וקטנה. הערך הסופי שנוצר נובע מכך שכמות הזיהומים בחומר אינה מושפעת מהטמפרטורה, ויוצרת גבול תחתון.

לעומת זאת, על פי תיאורית BSC, בעל-מוליכים האלקטרונים מסתדרים בזוגות המכונים "זוגות קופר". אנו יודעים שלכל אלקטרון יש מטען שלילי, ולכן קיים כוח חשמלי שדוחה את האלקטרונים זה מזה. כדי ששני אלקטרונים יימשכו זה לזה וייצרו זוג קופר, חייב להיות כוח נוסף שימשוך אותם ויתגבר על הדחייה החשמלי.

על פי התיאוריה, המשיכה בין האלקטרונים נוצרת באמצעות החלפת פונונים. כלומר, אלקטרון נע בחומר, משפיע במהלך תנועתו על סריג החומר וגורם ליונים של הסריג לזוז במעט ממקומם עקב המשיכה החשמלית בין היונים לאלקטרון. ובמילים אחרות, הוא מייצר פונונים בסריג.

האלקטרון השני "חש" בתנועת היונים ונמשך לאלקטרון השני. בטמפרטורות גבוהות הכוח הזה זניח, אבל ככל שהחומר מתקרר והאנרגיה שלו פוחתת, כך גוברת החשיבות של הכוח הזה, עד שהוא גובר על כוח הדחייה החשמלי ומייצר זוגות של אלקטרונים.


ההבדל בין תלות ההתנגדות בטמפרטורה של מתכת רגילה לעומת על-מוליך | האיור לקוח מוויקיפדיה

בעוד שאלקטרונים בודדים הם פרמיונים, זוגות האלקטרונים הם בוזונים, ולכן יכולים לאכלס את אותו מצב קוונטי וליצור מעין על-נוזל של אלקטרונים. בניגוד לאלקטרונים הבודדים, הנוזל הזה אינו יכול להחליף אנרגיה בקלות עם זיהומים או פונונים. מאחר שהחלפת האנרגיה הזו היא התהליך שגורם להתנגדות החומר, מתאפשרת כך זרימה חופשית וקלה של אלקטרונים והחומר הופך לעל-מוליך, חסר התנגדות.

אותו "נוזל אלקטרונים" מסביר גם את תגובת העל-מוליך לשדה מגנטי. בלי להיכנס לפרטים, חדירה של שדה מגנטי לנוזל הזה דורשת אנרגיה רבה. כמו כל מערכת בחומר, גם העל-מוליך שואף להגיע למצב שבו תהיה לו אנרגיה מזערית, ולכן הוא מתנגד לחדירת השדה המגנטי. ההבדל בין שני סוגי העל-מוליכים הוא שבעל-מוליך מסוג 1 כשהשדה גדול מדי, משתלם לחומר להפסיק מבחינה אנרגטית להפסיק להיות על-מוליך, ואילו בעל-מוליכים מסוג 2 משתלם יותר מבחינה אנרגטית לאפשר לשדה המגנטי לחדור לחומר בצורת מערבולות.

על-מוליכים בטמפרטורה גבוהה

החומרים שמהם עשויים על-מוליכים כמו אלה שציינו הם רבים ומגוונים, החל במתכות פשוטות כגון עופרת ואלומיניום, דרך סגסוגות מתכת וכלה בסוגים שונים של מוליכים למחצה. לצד הגיוון הזה קיימים גם חומרים שלעולם לא יהפכו לעל-מוליכים, ולא משנה עד כמה נקרר את החומר כגון המתכות האצילות (זהב, כסף וכו').

בשנת 1986 התגלה שגם חומרים קרמיים מסוימים הם על-מוליכים. יתר על כן, הם גם מיוחדים בתור על-מוליכים שכן הטמפרטורה הקריטית שבה הם הופכים לעל-מוליכים היא גבוהה במיוחד: 90 מעלות קלווין ואף למעלה מכך.

העל-מוליכים האלה מעניינים אותנו במיוחד משתי סיבות. הראשונה שבהן נוגעת להבנת העולם שלנו תיאוריית BCS פשוט אינה מסוגלת להסביר את קיומם מבחינה מחקרית-תיאורית. הטמפרטורה הקריטית שלהם פשוט גבוהה מדי כדי שפונונים יהיו גורם המשיכה בין האלקטרונים שלהם. עד היום עדיין לא התגלה ההסבר התיאורטי לקיומם.

הסיבה השנייה היא מעשית – הטמפרטורה הגבוהה של העל-מוליכים האלה מעלה את האפשרות שנוכל לעשות בהם שימוש מעשי. אמנם עד כה לא נמצאו חומרים שפועלים כעל-מוליכים בטמפרטורת החדר, אבל עדיין קיים הבדל ניכר בין על-מוליכים רגילים לבין העל-מוליכים הקרמיים החדשים. ההבדל הזה נעוץ באפשרות הקירור שלהם.

שיטת הקירור הפשוטה ביותר היא טבילה בנוזל שטמפרטורה שלו נמוכה מהטמפרטורה הקריטית של העל-מוליכים. שני הנוזלים האפשריים הם חנקן נוזלי, שהטמפרטורה שלו היא 77 מעלות קלווין, או הליום נוזלי שהטמפרטורה שלו היא 4 קלווין בלבד. החנקן הנוזלי הוא חומר זול וזמין, ואילו ההליום יקר והרבה יור קשה לתפעול. בעקבות זאת רק על-מוליכים בטמפרטורה שמעל 77 קלווין, כלומר שניתן לקרר אותם בחנקן נוזלי, יהיו שימושיים ליישומים מעשיים

שימושים

השימושים של העל-מוליכים רבים ומגוונים. אנסה לסקור אחדים מהם:

א) יצירת שדות מגנטיים גבוהים: שדות מגנטיים גבוהים במיוחד, בעוצמה של כמה טסלות, דרושים למטרות שונות, החל בכלי מחקר מדעיים כמו מאיצי חלקיקים מתקדמים וכלה במטרות רפואיות כגון מכשירי הדמייה כמו MRI. שדות מגנטיים נוצרים על ידי הזרמת זרם חשמלי בסליל. כדי להשיג שדה מגנטי גבוה יש להזרים זרם גבוה בסלילים, אולם סליל שאינו על-מוליך מתחמם כשהזרם עובר בו, ולכן הזרם הזה מוגבל מאוד. לעומת זאת, בסלילים על-מוליכים אפשר להעביר זרם חזק וכך וליצור שדות מגנטיים חזקים במיוחד. יתרה מזאת, לאחר שהזרם הועבר והשדה המגנטי הרצוי הושג, הזרם ימשיך לנוע בסליל ברציפות ואין צורך להשקיע אנרגיה כדי לשמר אותו. באופן כללי, אפשר להרחיב את התכונה הזו ולהגיד שבכל יישום שדורש זרם גבוה במיוחד, יש ערך מיוחד לשימוש בעל-מוליכים.

ב) ריחוף מגנטי: כפי שהזכרנו, אפקט מייסנר יוצר דחייה בין מגנט למוליך-על. אם מתגברים בכוח על הדחייה הזו ומקרבים מגנט למוליך-על לזמן קצר, השדה המגנטי יחדור למוליך-העל. לאחר מכן, כשנרחיק את המגנט, עדיין יישאר קצת שדה כלוא במוליך-העל וינסה למשוך אליו בחזרה את המגנט. כך יפעלו שני כוחות, שהאחד מנסה למשוך את המגנט אל מוליך-העל והשני מנסה לדחות אותו. בסופו של דבר תיווצר נקודת שיווי משקל שבה המגנט פשוט ירחף באוויר מעל מוליך-העל במרחק יציב.

התופעה הזו מאפשרת ליצור שני גופים מכניים שבמקום להחליק זה על זה ולכן לאבד אנרגיה עקב חיכוך, ינועו באופן חלק כשהאחד מרחף מעל השני ללא כל מגע. אחד השימושים המפורסמים לתופעה הזו הן הרכבות המהירות ביפן, שהמרחפות על פסים מגנטיים ונעות במהירות רבה וללא חיכוך.


מגנט מרחף מעל על-מוליך | התמונה לקוחה מוויקיפדיה; צולמה בידי Mai Linh Doan

ג) שימושים מחקריים רבים: נוסף על התכונות שכבר סקרנו, קיימות תכונות נוספות מעניינות ביותר שמתרחשות כשאנו יוצרים צומת שמורכבת מעל-מוליך בצד אחד ומוליך רגיל בצד השני. צמתים כאלה מאפשרים לייצר רכיבים מיוחדים, כגון רכיבים חשמליים שממירים זרם חילופין לזרם ישיר או אפילו "אטומים מלאכותיים" מערכות קוונטיות בעלות מספר רמות אנרגיה קטן שמדמות אטומים ומאפשרות לחקור את האינטראקציה בין אטומים לאור, ואף לתכנן רכיבים חשמליים המתבססים על האינטראקציה הזו.

זה כמובן רק הקצה שבקצה. על-מוליכות הינה תופעה מרתקת שמדגימה היטב איך אפקטים קוונטיים ברמה המיקרוסקופית של החומר יכולים ליצור תופעות ותכונות מיקרוסקופיות מרתקות ובלתי צפויות של החומר, שפותחות פתח גם ליישומים חשובים ביותר.

לאתר מפורט (באנגלית) על על-מוליכות, כולל חדשות מהתחום, מידע מפורט על כל העל-מוליכים הידועים, ועל השימושים הרבים והמגוונים שלהם.

ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע


הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

18 תגובות

  • רותם אשכנזי

    מחקר בנושא מוליכי על והיפר מוליכות

    -האם העובדה שעצם התופעה תמונה בהתנהגות האלקטרונים, היא הסיבה שהתופעה נקראת תופעה קוונטית מקרוסקופית?
    -אם הדבר יתכן/יתאפשר, מה יהיה ניתן להשיג על ידי עקיפת אקפט המייסנר?
    - במאמר תוארו 'מערבולות" במולכי על מסוג 2 . האם הן מערבולות קוונטיות(quantum vortex) כיצד ניתן ללמוד עוד על התופעה?
    - האם מוליכים יכולים לשמש כמעבירי מידע? האם יש קשר בין התחומים? -האם שמעתם אי פעם על המושג Hyperconductivity? תודה, רותם

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    מוליכי על

    <p>
    שלום רותם,</p>
    <p>
    התופעה נקראת קוונטית מקרוסקופית, כדי להבין מדוע נפרק את השם ונבין כל חלק בנפרד:</p>
    <p>
    קוונטית - התופעה היא תופעה קוונטית כיוון שהיא קוראת בגלל התכונות הקוונטיות של האלקטרונים והשריג שמסביבם. היכולת של האלקטרונים לחבור לזוגות תוך התגברות על כוחות הדחייה בינהם - וזאת תודות לשריג בו הם נמצאים, היא תופעה קוונטית.</p>
    <p>
    מקרוסקופית - התופעה נקראת מקרוסקופית כיוון שהיא נצפית בסדר גודל המקרוסקופי, העובדה שחתיכת מגנט יכולה לרחף מעל על מוליך מראה שזו תופעה מקרוסקופית (להבדיל מתופעה מיקרוסקופית, שקוראת במערכת מסדר גודל מיקורמטרים ולא ניתן לראות בעין).</p>
    <p>
    אפקט מייסנר קורה כאשר קווי שדה מגנטי לא יכולים לחדור מבעד לעל מוליך, אם מפעילים שדה מגנטי חזק מספיק, קווי השדה יחדרו פנימה והחומר פשוט יפסיק להיות על מוליך.</p>
    <p>
    במוליכי על מסוג שני השדה המגנטי חודר בתור מערבולות של זרם על מוליך, הם נקראים: <a href="http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/scbc.html#c4">magnetic... style="font-size: 12px; line-height: 1.5em;"><a href="http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/scbc.html#c4">vortex</a> / <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Type-II_superconductor#Vortex_state">Abrik... vortex</a> </span></p>
    <p>
    <span style="font-size: 12px; line-height: 1.5em;">העברת מידע יכולה להעשות ע&quot;י ביטים (מידע שמצוי במילים המורכבות מ-2 אותיות בלבד 0 או 1). את הביטים (0 או 1) ניתן לממש ע&quot;י מוליכים זעירים שמסמנים 0 במקרה שאין הולכה ו-1 במקרה שיש הולכה. באמצעות ביטים אלו ניתן לשמור ולהעביר מידע. במקרה זה, זה לא משנה אם אלו מוליכים רגילים או על מוליכים. עם זאת כן ישנו קשר בין התחומים, ישנם תיאוריות החוזות כי באמצעות על מוליכים ניתן ליצור &quot;ביטים&quot; מתוחכמים יותר, שיכולים לשמור יותר משני מצבים (0 או 1) ובצורה זו לשמור אינפורמציה בצורה יעילה יותר וליצור אלגוריתמים הרבה יותר מהירים משל המחשבים הקיימים כיום. כל זה עוד תיאורטי וכיום המימוש הכי מתוחכם של &quot;ביטים&quot; על מוליכים כאלו הוא מחשב עם רק שלושה &quot;ביטים&quot;, עוד לא קרוב לרמה הפרקטית. </span></p>
    <p>
    <span style="font-size: 12px; line-height: 1.5em;">האזכורים היחידים שמצאתי ל Hyperconductivity מתייחסים לעל מוליכות (אפס התנגדות חשמלית ותרמית) בחומרים מיוחדים, בהם התופעה קוראת מעל לטמפרטורה מסויימת (ולא מתחת) וההסבר לתופעה שונה מבמקרה של מוליכי על (ולא כל כך ידוע).</span></p>

  • רותם אשכנזי

    המשך

    ראשית, אני שמח שלקחת את הזמן לכתוב תגובה מפורטתת וברורה. שתי התשובות שננתם עזרו מאוד להבין את הנושא. עכשיו אני רוצה להתקדם מעבר להבנת הבסיס. ראשית יש לי עוד שאלה ששכחתי לשאול: מה ההבדל בין תאוריית גינצבורג לנדאו, לבין תאוריית BCS? שנית Hyperconductivity
    ישנו המקור הזה(שאשמח אם תאששי את אמינותו):http://enlightenment-universe.wikidot.com/hyperconductivity שנית, יש את זה, מתוךAdvances in Cryogenic Engineering : https://books.google.co.il/books?id=IyPaBwAAQBAJ&pg=PA435&source=gbs_toc... שאלת החקר שלי היא בעצם: האם ניתן לתעל מערבולות קוונטיות הקורות במוליכים מסוג 2 בכדי לעקוף את אפקט המייסנר, בכך ליצור היפר מולכים(hyperconductors), אשר מורידים את ההתנגדות החשמלית לאפסית ואת האנטרופיה החשמלית לנקודה שזרימת מידע קוראת במהירות אור או טרנס-אורית(תיאורטית)?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    מוליכי על - המשך

    שלום רותם, גם BCS וגם גינזבורג לנדאו שתיהן תיאוריות שמתארות מוליכי על. תיאוריית BCS מתארת את התהליך מקנה מידה קטן לגדול - יוצאת מתוך הנחה שיש אינטרקציית משיכה מסויימת בין אלקטרונים בקנה מידה קטן ומשם מתקבלות תוצאות ע"י מיצוע של האינטרקציות הנקודתיות הנ"ל.
    תאוריית גינזבורג לנדאו מתארת את התופעה מקנה מידה גדול לקטן - מניחה שיש איזשהו פרמטר כללי שמתאר את המערכת המאקרסקופית ואז ניתן לחשב ערכים מסויימים ע"י קירובים על הפרמטר הנ"ל. זה ממש בגדול, בשביל להבין באמת את הגישות השונות בין שתי התיאוריות צריך להתעמק בהן. לגבי ההמשך - נראה שזהו מאמר מקבוצות שעובדות בתעשייה וגם השימושים של המוליכים הללו הם לתעשייה ולכן לא מוזכרים במאמרים של מחקר בסיסי. בכל מקרה, נראה שזהו פשוט שם כולל למוליכים שההתנגדות שלהם יורדת דרסטית עם קירור , כמו אלומיניום שהופך לעל מוליך בטמפרטורות נמוכות. לגבי שאלת המחקר - גם המוליך הוא על מוליך (כלומר ללא התנגדות) המידע לא יעבור בו מהר יותר ממהירות האור.. והמושג אנטרופיה חשמלית לא מוכר, אולי תנסה לנסח את השאלה מחדש..?

  • רותם אשכנזי

    המשך 2

    תודה על ההסבר על התאוריות, עכשיו הבנתי איך יש שתי תאורייות לאותה תופעה: הם לא סותרות אחת את השנייה, אלא מקבילות אחת לשנייה.
    אני מצטער אם שאלת החקר לא הייתה ברורה, היא תורגמה מאנגלית וכנראה הייתי צריך לתרגם יותר טוב.
    מה שאותו מקור טוען שבתאורייה ניתן להישתמש בערבולות קוונטיות הקורות במוליכים מסוג 2, בכדי להתגבר על אפקט המסיינר. הוא לא מסביר כיצד, אלא רק את התוצר: אותו "hyper" מולך.
    אז לסיכום כל השאלות האלה, א. רציתי לדעת האם זה אפשרי, להשתמש בfulx שנוצר בכדי להתגבר על האפקט, וב. אם כן נצליח להתגבר על האקפט, יש אשרות שזה יוביל לפריצת דרך כלשהיא? כיצד?
    שוב, יכול להיות שאני מטעה אותך, כי זה מאמר תיאורטי, אבל אני אוסיף את הטקסט המקורי, אולי את תבני יותר טוב:
    In physics, a quantum vortex is a defect that creates quantized magnetic flux in some type-II superconductors, observed only experimentally until a few decades ago. Scientists have sought ever more powerful superconductors; therefor researchers theorized that the quantum vortex could be harnessed, and thus was created the first hyperconductor. In circumventing the Meissner effect, hyperconductors reduce electrical resistance to nil and negate electrical entropy to the point – theoretically – where data flow happens at translight speeds.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    תשובה

    לגבי שאלתך הראשונה - אפקט מייזנר הוא תוצאה של דחיית קווי שדה מגנטי מעל מוליך ולכן עצם העובדה שקווי שדה כן מצליחים לחדור לעל מוליך מסוג 2, תוך יצירת מערבולות קוונטיות, אומר שהתגברת על אפקט מייזנר (כי חלק מקווי השדה המגנטי כן חודרים לתוך העל מוליך ואפקט מייזנר כבר לא מתקיים במלואו).
    בקשר לחלק השני של השאלה - זה לא נשמע לי ממש הגיוני, במה שיקרה זה שיהיו מערבולות קוונטיות בתוך העל מוליך כל שמרכזן של המערבולות יהפוך למוליך רגיל והשאר יישאר על מוליך. ככל שנגדיל את השדה המגנטי יהיו עוד ועוד מערבולות עד שהחומר לא יהיה על מוליך יותר. אני לא יודעת איך זה יכול להתקשר למעבר מידע במהירויות גבוהות ממהירות האור. מה המקור של המאמר הזה? האם אתה יכול לצרף קישור אל המאמר ישירות?

  • רותם אשכנזי

    המשך 3

    תודה אנה על ההסבר על התופעה. הטקסט לקוח מאסופה של טקסטים תאורטיים הקשורים לטכנולוגיות תיאורטיות, אותם הגו יוצרי משחק מסויים בהתבסס על מדעים. תוכלי למצוא אותם פה: http://www.civilopedia.info/civilopediabe/TECH_HOME.aspx אני מניח כשאנו מסתכלים על כך בצורה הגיונית, הרעיון לא עובד. הקשר בין מוליכי על והעברת מידע כנראה לא קיים, או לא נחקר עדיין. יש להבין שהטקסט אומנם מתבסס על רקע מדעי, אך לוקח חופש יצירתי. רק באתר הזה מצאתי מאמר ומומחים בעברית בנושא. למרות זאת, עניין אותי מאוד לקרוא ולהבין על התופעה הקוונטית המקרוסקופית, שאותה אני מבין, ואת אפקט המייסנר. מוליכות על היא תופעה מסקרת נורא, ולמרות שאינני מגביר פיזיקה, אני פשוט מוצא את הפיזיקה הקוונטית מרתקת. תודה על הזמן ותשובות שנתת לי אנה, מעריך זאת מאוד!

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    בבקשה

    בשמחה! מוזמן לשאול עוד שאלות על מוליכות על או כל נושא אחר.

  • אפי

  • ירון גרוס

    הסבר לאפקט מייסנר

    אפקט מיסנר הוא דחיה של השדה המגנטי מתוכו של על מוליך. כלומר כאשר אנו מפעילים שדה מגנטי (חלש) באזור בו נמצא על מוליך, קווי השדה המגנטי "עוקפים" את העל מוליך ולא חודרים אליו. הדבר קורה על ידי כך שזרמים מתחילים לזרום על שפת העל מוליך. זרמים אלו מייצרים שדה מגנטי משל עצמם אשר מבטל את השדה המגנטי החיצוני בתוך העל מוליך. מאחר ולעל מוליך אין התנגדות יכולים זרמים שכאלו לזרום מבלי לאבד אנרגיה

    האם ההסבר מספק?

  • אפי

    אפקט מייסנר

    תודה. האם הזרם בעל מוליך מתחיל/נוצר כתוצאה מקירוב המגנט? למעשה בלי קשר למגנט ברגע שאעביר זרם בעל מוליך ייווצר השדה המגנטי החזק בכל מקרה והמגנט רק מדד לקיומו של השדה הנל..הזרם החזק של העל מוליך יוצר את השדה המגנטי שמונע מהשדה של המגנט להיכנס---אם הבנתי נכון. האם תיאור זה נכון?

  • ירון גרוס

    מייסנר

    א) כן, כאשר אתה מקרב שדה מגנטי לעל מוליך נוצר זרם על השפה שלו. הרעיון הוא שהזרם נוצר באופן ספונטני בלי שאתה בעזרת מקור זרם חיצוני דוחף זרם דרך על המוליך, זו תגובה טבעת של העל מוליך
    ב) כן כאשר תזרים זרם יווצר שדה מגנטי, אבל זהו אינו אפקט מייסנר. אפקט מייסנר מדבר על זרמי השפה הנוצרים באופן ספוטני. הרעיון הוא שבעל מוליך אין בעיה לזרם לזרום, מאחר ואין התנגדות אין איבוד אנרגה, לכן זה מצב טבעי למדי שהזרם פשוט יזרום ללא הפרעה על השפה, גם מבלי שאתה מזריק זרם לתוך מוליך העל
    הזרם הזה אכן יוצר שדה מגנטי שמבטל את השדה המגנטי החיצוני, כלומר לא מדובר באיזשהו זרם אקראי או זרם שמישהו כפה מבחוץ, באופן טבעי וספונטנאי נוצר הזרם המדויק הנחוץ לשם ביטול השדה החיצוני, על שפתו של מוליך העל

  • תום

    מבנה של מוליכי על

    שלום,
    יש לי שאלה נוספת בנושא מוליכי העל: האם יש איזשהו מבנה מסויים שמאפיין את מולכי העל (הכוונה היא למבנה קריסטלי)? האם תאורית ה-BCS התייחסה למבנה החומר? הזכרתם במאמר שהזהב והכסף לא יכולים להיות מוליכי על. האם ידוע הסיבה לכך?
    בתודה מראש,
    תום
    נ.ב
    תודה רבה על התשובה הקודמת (-8

  • ירון גרוס

    מתכות ועל מוליכים

    שלום תום
    מתכות רגילות הינן על מוליכים מסוג 1. האלקטרונים בעל מוליכים אלו יוצרים זוגות קופר, באמצעות החלפת פונונים או במילים אחרות הרעידות של הסריג עצמו (היונים החיוביים), מתווכות בין האלקטרונים ומאפשרים את יצירת הזוגות

    הסריג של חלק מהמתכות (נחושת, זהב, כסף) הינו כזה המקטין מאוד את עוצמת הרעידות שלו, ולכן בהעדרן האלקטרונים לא יכולים להקשר זה לזה וליצור זוגות, או שהם יכולים לעשות זאת רק בטמפרטורות נמוכות כלכך שלא ניתן לקרר את המתכת מספיק כדי לבדוק זאת באופן ניסיונאי.

    אם זהו המצב, והאלקטרונים לא יוצרים זוגות קופר והמתכת אינה הופכת לעל מוליך, זיהומים בחומר מעלים את ההתנגדות של המתכת.

  • תום

    התנגדות של מוליכי על

    שלום!
    הזכרתם כי החוסר ההתנגדות של מוליכי העל נובעת מהיווצרות של "נוזל אלקטרוני" שמורכב מזוגות קופר. מדוע עם כן, בקירור של מתכת רגילה, תופעת העל מוליכות לא נצפת? כיצד משפיעים הזיהומים על "הנוזל" ועל ההתנגדות של המוליך?
    בתודה מראש,
    תום

  • ירון גרוס

    מקור ההתנגדות

    שלום תום
    בוא נתחיל במודל הבסיסי ביותר המסביר את ההתנגדות של מתכות (זהו מודל קלאסי לחלוטין הנקרא מודל דרורדה). לפי מודל זה כאשר אנו יוצרים הפרש מתחים משני צידיו של מוליך, כלומר יוצרים שדה חשמלי בתוך המוליך, האלקטרונים שבו מתחילים להאיץ בכיוון השדה, אולם במקום להאיץ בלי סוף (עד שהם מגיעים לקצה המוליך), פעם בזמן כלשהו, אלקטרון נתקל בזיהום בחומר (הזמן הזה תלוי בכמות הזיהומים הסוג שלהם וכו'). כאשר האלקטרון נתקל בזיהום הוא מפוזר לכיוון אקראי, כלומר המהירות שלו שקודם היתה בכיוון השדה החשמלי משנה את כיוונה לכיוון אקראי. מיד לאחר מכן האלקטרון חוזר ומאיץ בכיוון השדה. כתוצאה מכך אלקטרונים לא מאיצים בלי סוף, הם מאיצים, נתקלים במזהם, מעבירים אליו את חלק מהאנרגיה שלהם ונזרקים לכיוון אקראי, מאיצים שוב, ושוב נתקלים במזהם וכך חוזר חלילה...
    לכן ההתקלויות הללו הן שמביאות להתנגדות הסופית של המתכת

    עבור על מוליך אני אנסה להסביר זאת בצורה ציורית. בעל מוליך האלקטרונים שכמו שתואר כאן נמצאים במעין "נוזל" קשורים מאוד האחד לשני. כאשר אלקטרון נתקל בזיהום בחומר, הוא לא יכול להתפזר לכיוון אקראי, מאחר והוא קשור לשאל האאלקטרונים אם הוא יפוזר לכיווון אקראי הדבר יגרום לכל שאר האלקטרונים לשנו תאת מצבם גם כן, וזה לא כדאי אנרגטית. למעשה רוב הכיוונים האפשריים לפיזור "נאסרים" עליו על ידי שאר האלקטרונים. לכן כאשר אלקטרון מגיע למפזר במצב שכזה הוא לא יכול להתפזר לכיוון אקראי ולרוב פשוט עוקף אותו
    זהו הסבר ציורי.. לא מודל מתמטי מדויק.. אני מקווה שהוא מעביר היטב את הכוונה

  • אפי

    חזית אחת, פונקצית גל אחידה

    האם לא ניתן לתאר את התנהגות האלקטרונים כהתאבכות של פונקציות הגל שלהן לפונקצית גל אחת מאוחדת? שמתקדמת כמו״נחשול״ גל אחד ?

  • ירון גרוס

    פונקציית הגל של מוליך העל

    אכן ש תיאור של פונקציית גל אחת למצב העל מוליך. הוא נובע מהעובדה שכאשר האלקטרונים מתחברים לזוגות הם יכולים כולם לאכלס את אותו מצב קוונטי.
    אם אתה מעונין להסתכל על התיאור בצורה מתמטית, פונקצית הגל של המערכת מתארת כעת את צפיפות האלקטרונים בכל החומר, ניתן לבדוק מה קורה כאשר הצפיפות אינה אחידה, כלומר זורם זרם, ומתגלה כי אין לכך עלות אנרגטית, לכן אין התנגדות בחומר, לא עולה אנרגיה להזרים בו זרם

תגובות פייסבוק