לקראת מוליך-על
בטמפרטורת החדר

בשנת 1911 צפה לראשונה החוקר ההולנדי האיקה קמרלינג אונס (Onnes), במוליכות-על: כלומר, חומר מתכתי שמוליך חשמל ללא כל התנגדות. מאז ועד היום מדענים תרים אחר מוליך-העל האולטימטיבי, שישנה את פני הטכנולוגיה הזמינה לנו ויאפשר פיתוחים מרחיקי לכת. הבעיה היא שמוליכי-העל המוכרים למדע כיום משמרים את יכולתם רק בטמפרטורות נמוכה מאוד. כעת קבוצת מחקר אמריקאית טוענת שחשפה מוליך-על שפועל מעל לאפס מעלות צלזיוס.

מוליכות ומוליכות-על

מוליכות-על היא צורה ייחודית של מוליכות חשמלית רגילה, כלומר היכולת של חומר להעביר זרם חשמלי. במוליך טוב, האלקטרונים צריכים להיות חופשיים יחסית מהאטומים הקושרים אותם כך שיוכלו לזרום בתוך החומר, כפי שאכן קורה ברוב המתכות, כגון נחושת וזהב. כל חומר ניחן גם בהתנגדות חשמלית, שנובעת מכוח הדומה לכוח חיכוך, שפועל על האלקטרונים בתנועתם. ההתנגדות הזאת גורמת גורם להם לאבד מאנרגיית התנועה (אנרגיה קינטית) שלהם ולפלוט אותה לסביבה בצורת חום. כיוון שכך, בהיעדר אספקה מתמשכת של אנרגיה ממקור חיצוני, הזרם החשמלי ייעצר בסופו של דבר.

הייחוד של מוליכי-על הוא שאין להם כל התנגדות חשמלית. בתנאים האלה הזרם החשמלי יכול להימשך לכאורה לנצח ללא כל אנרגיה חיצונית.

מוליכות-העל מופיעה כשמקררים חומרים מסוימים, למשל כספית, לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. הירידה בהתנגדות נובעת מכך שבטמפרטורות נמוכות אנרגיית התנועה של האטומים קטנה ביותר, ולכן הם מתנגשים פחות באלקטרונים הנעים בחומר וה"חיכוך" פוחת. ההסבר המלא להתאפסות המוחלטת של ההתנגדות ניתן רק כחמישים שנה לאחר התגלית המקורית, על ידי הפיזיקאים זוכי פרס נובל ג'ון ברדין (Bardeen), ליאון קופר (Cooper) וג'ון רוברט שרייפר (Schrieffer).

בנוסף לחוסר ההתנגדות שנתן להם את שמם, מוליכי-על מפגינים תכונה ייחודית של דיאמגנטיות מושלמת, כלומר דחייה מלאה של שדות מגנטיים חיצוניים. שדות חשמליים ושדות מגנטיים נוטים לאזן אלה את אלה: כשחומר מוליך נחשף לשדה מגנטי, מושרים בו זרמים חשמליים בכיוון הפוך לשדה המגנטי. אך מכיוון שלמוליכים רגילים יש התנגדות חשמלית, הזרמים האלה נחלשים בהדרגה והשדה המגנטי מסוגל לעבור דרך החומר. מוליכי-על, לעומת זאת, מסוגלים לייצר זרמים שדוחים לחלוטין את השדה המגנטי. לכן אם נניח מגנט מעל מוליך-על, הוא יצוף מעליו בשל הדחייה המגנטית.

כיום מוליכי-על משמשים למגוון צרכים שמחייבים שדות מגנטיים חזקים, למשל להפעלת מכשירי MRI בבתי חולים או מאיצי חלקיקים. מעבר לכך, דגמים מסוימים של רכבות ריחוף מנצלים את השדה המגנטי החזק שמוליכי-על מייצרים כדי לנוע במהירויות אדירות עם חיכוך מזערי. עם זאת, המערכות הללו יקרות מאוד לתפעול, בשל ההכרח לקרר אותן בלי הרף לטמפרטורות נמוכות ביותר על ידי הליום או חנקן נוזליים.

מוליך-על "חם"

אונס גילה את מוליכות העל כשקירר כספית לטמפרטורה של 4.2 קלווין בלבד, כלומר 269 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. התיאוריות הראשונות חזו כי לא ייתכנו מוליכי-על שיפעלו בטמפרטורה גבוהה יותר מ-30 מעלות קלווין, או מינוס 253 מעלות צלסיוס. למרות זאת, במרוצת השנים התגלו מוליכי-על שפועלים בטמפרטורות גבוהות יותר, והם נקראים כיום "מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה". המילה "גבוהה" היא כמובן יחסית בלבד, שכן עד כה הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה הצליחו מדענים להפיק מוליך-על היא 83 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, עם מימן גופרתי בלחצים גבוהים.

כעת, במחקר חדש שנעשה באוניברסיטת ג'ורג' וושינגטון בארצות הברית, טוענים החוקרים כי מצאו לראשונה מוליך-על שפועל בטמפרטורה של שבע מעלות צלזיוס. החומר שבו מדובר מכונה לנתן סופרהידרידי (lanthanum superhydride), תרכובת של המתכת הנדירה לנתן המכילה כמות גדולה של אטומי מימן. החוקרים ייצרו אותו בלחץ אדיר של כשני מיליון אטמוספרות, כמעט פי אלפיים מהלחץ בנקודה העמוקה ביותר באוקיינוס. לטענתם, החומר גילה התנגדות חשמלית אפסית ודחייה של שדה מגנטי בטמפרטורה גבוהה בהרבה ממה שנראה לפני כן.

תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת Physical Letters Review, ומיד עוררו עניין רב - שכן מדובר בהתקדמות משמעותית בדרך אל מוליך-על שיכול לתפקד בטמפרטורת החדר. אף שייצור מוליכי-על מסחריים בלחצים עצומים כמו אלו בהם השתמשו החוקרים אינו מעשי, התגלית עשויה להיות ציון דרך חשוב בתחום מוליכי-העל. עתיד שיהיו בו מוליכי-על בטמפרטורת החדר ישפר את חיינו במגוון דרכים: נוכל לאגור אנרגיה ביעילות רבה יותר, בתי חולים יוכלו להחזיק הרבה יותר מכשירי MRI זולים ואמצעי התחבורה יהיו מהירים ויעילים יותר.