נוסח השאלה המלא: האם אפשר למצוא על-מוליך בטמפרטורת החדר על ידי הרצה של מיליוני סימולציות במחשב-על, וכך למצוא את החומר המרוכב המתאים? אבישי
מגלה מוליכות העל הייקה קמרלינג אונס ותרשים המדידה ההיסטורית | התמונה לקוחה מוויקיפדיה
ראשית בקצרה על מוליכי-על
מוליך-על (Superconductor) הוא חומר שנמצא במופע (פאזה) כזה שבו ההתנהגות החשמלית שלו שונה מכל מה שמוכר לנו בחומרים רגילים. כשמקררים חומר מתאים מתחת לטמפרטורה הקריטית שלו, האלקטרונים שבו מפסיקים להתנהג כמו אלקטרונים בודדים והופכים למין ישות אחת שמתנהגת על פי כללי מכניקת הקוונטים. אמנם ברור שגם אלקטרונים בודדים מצייתים למכניקת הקוונטים, אבל כיוון שהם חלקיקים בודדים, ההתנהגות שלהם דומה על פי רוב להתנהגות של חלקיק קלאסי.
התופעה הראשונה שמאפיינת מוליך-על היא כמובן המוליכות שלו. כשמקררים מוליך-על, ההתנגדות שלו יורדת בהדרגה עם הטמפרטורה, עד שמגיעים לטמפרטורה קריטית שבה יש נפילה חדה לאפס. לא קרוב לאפס, לא קצת קצת קצת – אפס. זה יכול להיות נחמד... רשת חשמל בלי התנגדות.
התופעה המרכזית השנייה היא אפקט מייזנר. מוליך-על לא אוהב שדות מגנטיים, כך שאם מפעילים עליו שדה מגנטי הוא מייצר בתוכו דיאמגנטיזציה מושלמת (ראה בתרשים להלן), כלומר יזרמו בתוך החומר זרמים שייצרו שדה מגנטי מנוגד, כך שהשדה בתוך המוליך יתאפס. התופעה הזו נמצאת בעוכריו של מוליך-העל – בשביל לדחות שדה מגנטי צריך להשקיע אנרגיה בזרמים המושרים, וכשהשדה המגנטי גדול מדי (מה שנקרא "שדה מגנטי קריטי"), אין למוליך-העל עדיפות אנרגטית על חומר רגיל וכבר לא משתלם לו להישאר מוליך-על. הוא חוזר להיות רגיל.
קווי השדה המגנטי במופע נורמלי (משמאל), ואפקט מייזנר במוליך-על (מימין) | התמונה לקוחה מוויקיפדיה
אחד השימושים החשובים של מוליכי-על הוא ביצירת שדות מגנטיים חזקים. כידוע, זרם שמוזרם בסליל יוצר שדה מגנטי, והזרמת זרם גבוה בסליל רגיל מבזבזת הרבה אנרגיה שהייתה יכולה להיחסך אילו היינו משתמשים במוליך-על. אבל מוליך-העל לא יכול לעמוד בשדה מגנטי הגבוה שהוא עצמו יוצר.
מוליכי על בטמפרטורה גבוהה
קיימים מוליכי-על מסוג אחר (Type II, High Tc Superconductor), שאמנם מתחילים להישבר בשדה קריטי נמוך, אבל יש להם מין "פתרון קסם" שמאפשר להם להחזיק מעמד עד לשדה מגנטי הרבה יותר גבוה. הם גם הופכים להיות מוליכי-על בטמפרטורה הרבה יותר גבוהה – כ--180מעלות צלזיוס לעומת כ--260מעלות צלזיוס אצל מוליכי-על רגילים. בחומרים כאלה משתמשים ליצירת שדות מגנטיים גבוהים במכשירי MRI וברכבות מהירות שמגיעות בזמן.
רכבת בטכנולוגיית ריחוף מגנטית באירופה | התמונה לקוחה מיקיפדיה
בעוד מוליכי-על רגילים הם חומרים פשוטים ונחמדים, כמו עופרת, בדיל, אלומיניום ועוד, מוליכי-העל מסוג שני הם חומרים נבזיים, כמו YBa2Cu3O7 . מדובר בחומרים קרמיים (מלשון קרמיקה, לא קרם), קשים לעיבוד, מה שמקשה ליצור מהם מעגלים חשמליים.
גם מרחב האפשרויות מזעזע. שבעה אטומי חמצן ושלושה אטומי נחושת. ומה יהיה אם אשים עוד קצת נחושת, אוסיף קצת אלומיניום, ואבזוק קורט מלח? בגלל המורכבות הזאת, תהליך ההמצאה של מוליכי-על חדשים ומשופרים זוכה לכינויים כמו "בישול" ו"מאגיה שחורה". וזה מה שמוביל אותנו לשאלתך.
תכנון מוליך-העל המושלם
אז האם אפשר לתכנן מוליך על מושלם? העניין מורכב מכמה וכמה בעיות. ראשית, הפיסיקה של מוליכי-העל הרגילים ידועה ודי "סגורה", כך שהתיאוריה השלמה (תיאוריית BCS) מאפשרת לחזות מה תהיה הטמפרטורה הקריטית של איזוטופ עופרת כלשהו, הפיסיקה של מוליכי-העל מהסוג השני עדיין אינה ברורה לנו מספיק. בלי לדעת את הפיסיקה קשה לחזות דברים, מפני שגם מחשב-על צריך בן-אדם שילמד אותו את הפיסיקה. אמנם יש "כללי אצבע" שקובעים מה צריך לכאורה שיהיה בחומר, אבל יש להם הרבה יוצאים מן הכלל, ויש לצפות שמוליך-העל המושלם יהיה יוצא מן הכלל.
איך אפשר לבחור? | התמונה לקוחה מויקיפדיה
חוץ מזה, מחשב, בין אם הוא מחשב-על ובין אם לא, יכול אמנם לחזות מה יקרה לחומר אם תוסיף קצת נחושת ותוריד קצת בריום (בהנחה שאתה יודע מה אתה מחפש בחומר שלך), אבל מה שאתה רוצה הוא מחשב שירוץ על כל מה שעולה לנו בראש, למשל "בוא נוסיף פלוטוניום וטיטניום ונבשל את הכל במיונז". מחשב לא יכול לחשב מה יהיו התכונות של חומר שהוא המציא עכשיו, כי אין מי שילמד אותו כל עוד אנחנו בעצמנו לא יודעים את התשובה. אנחנו יכולים רק לשער ולעשות סימולציות בהתאם לידע קודם על חומרים דומים.
אז התשובה לשאלתך, אחרי התייעצות עם כמה עמיתים, היא שכנראה לא. בינתיים נמשיך לשלם חשבון חשמל מטורף.
אלעד יעקבי
המחלקה לחומר 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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
