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.
