האם התפתחויות תיאורטיות וחישוביות חדשות יגשימו סוף סוף את החלום החמקמק של מוליך-על בטמפרטורת החדר?

בקיצור

  • מדענים חולמים ליצור מוליך-על – חומר שיכול להוליך חשמל בלי התנגדות – שמסוגל לעבוד בטמפרטורת החדר. נכון להיום כל מוליכי-העל דורשים טמפרטורות נמוכות ולעיתים גם לחצים גבוהים. 
  • מוליכי-על חדשים התגלו עם השנים בניסוי וטעייה. אך פריצות דרך שאירעו לאחרונה מתבססות על אלגוריתמים תיאורטיים חדשים המשתמשים בכלים חדשים, למשל למידה חישובית, לניבוי חומרים שיהיו מוליכי-על.
  • פיזיקאים מקווים ששיפורים תיאורטיים ותחכום ניסויי יסייעו להם לגלות מוליכי-על שימושיים יותר, שירחיבו את טווח היישום של טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת, ישדרגו רשתות חשמל ויאפשרו לפתח סוללות ששומרות על מטען קבוע.

הפיזיקאי הניסויי מאדורי סומאיאזולו (Somayazulu), או זולו בפי מכריו, קיווה בכל ליבו שהתקרב מספיק ליעדו. בחדר עמוס ציוד במעבדה הלאומית אַרְגוֹן (Argonne) באילינוי, הוא גהר – לצד הפוסט-דוקטורנט זכארי גבל (Geballe) – מעל מתקן גלילי בגודל שזיף שנקרא "תא סדן יהלום". בתוכו נמצאו כמות זעירה של המתכת העפרורית הנדירה לַנתָנום וגז מימן מוער, שתיאורטיקנים סברו שיהפכו לתרכובת חדשנית תחת לחץ עצום של 2.1 מיליון אטמוספרות.

הלחץ הזה הוא יותר ממחצית הלחץ השורר במרכז כדור הארץ, ומה שהיה רלוונטי יותר באותו יום ביוני 2017 – הוא היה קרוב לגבול היכולת של התא לדחוס את תוכנו בין שני יהלומים בגודל של חלוקי אבן קטנים, שכן יהלומים נמנים עם החומרים הקשיחים ביותר בטבע. כשהמדענים העלו את הלחץ בתא ל-1.7 מיליוני אטמוספרות, הם הרגישו שהם מתהדקים. היהלומים, שכבר התעוותו מהלחץ, היו עלולים להישבר. "זהו. אי אפשר להגביר עוד יותר את הלחץ", אמר סומאיאזולו. "הבה ננסה לסנתז עכשיו ונראה מה יקרה".

לקראת הניסוי הקיפו המדענים את תא הסדן במעין כיתת יורים הייטקית: שתי שפופרות ארוכות שנועדו להפציץ אותו בקרני רנטגן, מערך של עדשות ומראות שמטרתו להפגיז אותו בלייזר ומצלמת וידיאו שיתעדו את ההתקפה. הם קיוו שהלייזר יזרז את התגובה בין הלנתנום למימן.

מחוץ לחדר, מאחורי דלת הזזה ממתכת שהגנה עליהם מקרני הרנטגן, צפו המדענים על מסך מחשב בגרף שיצרו קרני הרנטגן האלה, שתיאר את המבנה המיקרוסקופי של התערובת שלהם. עד מהרה לבש התרשים את הצורה הרצויה. הם הצליחו לרסק לנתנום ומימן וליצור את התרכובת לנתנום הידריד, כלומר LaH10. "נדהמנו", מספר סומאיאזולו. "אפילו לא היינו צריכים לחמם כמעט עד שנוצרה התרכובת" – ועוד איזו תרכובת!

עוד לפני הניסוי רמזו התיאוריה והדמיות מחשב ש-LaH10 עשוי להיות מוליך-על, חומר בעל יכולת מופלאה להוליך חשמל בלי הפסדי האנרגיה שמייסרים את החוטים הרגילים. יעילות כזאת מאפשרת לזרם עצום להידחס למקום קטן ולזרום בו לנצח כמעין מכונת תנועה מתמדת (פרפטום מובילה). יתר על כן, LaH10 היה אמור לחולל את הקסם הזה ב-7 מעלות צלזיוס בערך (280 מעלות קלווין), טמפרטורה גבוהה הרבה יותר מזו שהשיג מוליך-על כלשהו עד אז וקרובה להפליא לטמפרטורת החדר – יעד נחשק מזה שנים רבות.

התנאים הצוננים להפליא שדורשים מוליכי-העל הקיימים נוטים להגביל את אפשרויות השימוש בהם ליישומים ייעודיים, כמו מכשירי MRI ומאיצי חלקיקים. לעומת זאת, למוליך-על בטמפרטורת החדר יהיו הרבה יותר שימושים, כולל העברת אנרגיית שמש ורוח למרחקים גדולים יותר מאלה שמתאפשרים כיום, הגדלת הקיבולת של רשתות חשמל הכורעות תחת העומס, ייצור סוללות שאינן מאבדות מטען כלל ועוד שלל שימושים אחרים במחשבים וברפואה.

ניתוח קרני הרנטגן שקיבלו סומאיאזולו וגבל העיד שה-LaH10 שהפיקו ניחן בדיוק באותו מבנה מיקרוסקופי שניבאה התיאוריה. "נדהמנו", סיפר לי סומאיאזולו כשביקרתי לאחרונה באַרְגוֹן, שם הוא הצטרף לצוות בחודש מאי. כשהוא ועמיתיו סנתזו את ה-LaH10, הוא עבד עדיין במעבדה הגיאופיזית של מכון קרנגי למדע בוושינגטון.

ראסל המלי (Hemley), שהיה הבוס שלו אז, מכנה את ה-LaH10 "דוגמה יפהפייה לחומר בהתאמה אישית". המלי ניהל את הצוות שהפיק את התרכובת, וגם את קבוצת התיאורטיקנים שניבאה את קיומו ואת תכונותיו. "יצרנו את החומר הזה תחילה במחשב, והודות לחישוב ידענו איפה לחפש אותו".

תא הסדן שבו נוצרים מוליכי-העל נמצא בחלון המעגלי המרכזי בקריוסטט המקרר | צילום: ספנסר לוול

זה היה החידוש האמיתי של LaH10. המדענים מחפשים מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות כבר יותר ממאה שנה, אבל כמעט כל פריצות הדרך התרחשו בזכות שילוב כלשהו של ניחושים – ובקיצור, בחירת המרכיבים והתהליכים בשיטת הניסוי והטעייה – ומזל. עד LaH10, תוכנת מחשב הצליחה לנבא רק פעם אחת מוליך-על בטמפרטורה גבוהה – H3S. תרכובת עתירת לחץ אחרת שהתגלתה ב-2014 ומשתייכת אף היא לקבוצת ה"הידרידים" נושאי המימן – אבל אפילו אז יוצריה התכוונו בעצם להפיק משהו אחר.

בשל הלחצים מנפצי היהלומים שדרושים כדי להחזיק את ההידרידים שלמים, קשה להניח שיימצא להם שימוש אי פעם. עם זאת, האלגוריתמים שצפו אותם – לצד התפתחויות עכשוויות אחרות בתחום המחשבים – עשויים לאפשר חיפוש שיטתי יותר אחרי מוליכי-על שימושיים, ואולי גם פורה יותר מאי פעם בעבר.

התיאוריה של מוליכות-על

"LaH10 היה ממש מתנה משמיים", אומר סומאיאזולו, בתארו את שנות העמל שהובילו לגילוי החומר הזה. ניכר בו שהוא נרגש כשהוא מגולל את הסיפור, ונשמע שהוא מתקשה עדיין להאמין שבסופו של דבר הוא הצליח. אלמלא האלגוריתמים החדשים ותחזיותיהם, לדבריו, הוא עדיין היה "אבוד", משוטט אנה ואנה כשברשותו רק "רעיונות גסים" ו"כימיה תיכונית".

גם כך, אחרי שהאלגוריתמים חזו את LaH10, עדיין היה עליו להבין איך אפשר לבחון את תפקודו כמוליך-על. ב-1911 התגלתה תופעת מוליכות-העל, כשהפיזיקאי ההולנדי הייקה קמרלינג אונס (Kamerlingh Onnes) ראה את ההתנגדות החשמלית של חוט כספית הטבול בהליום נוזלי נעלמת באופן לא מובן ב-4.2 מעלות קלווין; מאז נטה הגילוי של מוליכי-על חדשים להקדים את התיאוריות שהסבירו אותם. אף שהתברר שמוליכות-העל היא תופעה נפוצה במידה מפתיעה, והוכח שעוד יסודות רבים פועלים כמוליכי-על (כולם בטמפרטורה נמוכה מ-10 מעלות קלווין), איש לא הבין אפילו את קצה קצהה של התופעה עד שהתפתחה מכניקת הקוונטים בשנות ה-20 של המאה ה-20.

ההסבר נשען על התנהגותם של האלקטרונים האחראים לזרם חשמלי, הן כחלקיקים המוגבלים לאזור מסוים והן כגלים המשתרעים במרחב – ההתנהגות שעל-פי מכניקת קוונטים מאפיינת את כל החלקיקים התת-אטומיים. על סמך ההנחה הזאת ניסחו המדענים ג'ון ברדין (Bardeen), ליאון נ' קופר (Cooper) וג'ון רוברט שרייפר (Schrieffer) בשנת 1957 את התיאוריה המכונה BCS (על שם ראשי התיבות של שמות הוגיה), שמתארת את הפיזיקה של מוליכות-העל.   

התיאוריה נשענה על ההבנה הבסיסית של זרם חשמלי: האטומים (למעשה גרעיני האטומים לצד כמה אלקטרונים קשורים, היוצרים יחד יונים חיוביים) שבמתכת יוצרים סריג גבישי – מבנה בעל מרווחים סדירים – והמון אלקטרונים חופשיים, שכאשר מופעל עליהם מתח נעים דרך הסריג ויוצרים זרם חשמלי. פגמים בסריג ותנודות הנובעות מחום נוטים לעכב את הזרימה הזאת ויוצרים התנגדות חשמלית. אך תיאוריית BCS קובעת שהאלקטרונים יכולים להתגבר על החיכוך הזה בעזרת מעין להטוט אייקידו קוונטי שמנצל לטובתם את תנועות הסריג.

תחילה, כשאלקטרון נע דרך הסריג הוא מכופף את האטומים של הסריג בכיוון תנועתו, עקב המשיכה בין המטען השלילי של האלקטרון למטען החיובי של הסריג. הכיפוף הזה מצופף את המטענים החיוביים, וריכוז המטען החיובי שנוצר מושך אלקטרון שני בעקבות קודמו וקושר אותם לזיווג שנקרא צמד קוּפֶּר. לאחר מכן הצמדים האלה, שפועלים כעת כגלים יותר מאשר כחלקיקים, חופפים זה את זה, מסתנכרנים ומתמזגים לגל גדול אחד שנקרא התעבות בּוֹז-איינשטיין; הגל הזה גדול מכדי שהסריג יבלום אותו, ולכן זורם דרכו בלי כל התנגדות.

מבוא למוליכות-על
בתוך מוליך-על, תוצאי מכניקת הקוונטים מאפשרים לחשמל לזרום בלי התנגדות. תיאוריה שמכונה BCS מתארת בצורה גולמית איך מוליכות-העל פועלת. עם זאת, פיזיקאים סבורים שחומרים מוליכי-על רבים פועלים לאמיתו של דבר באופן מורכב יותר.
תהליך BCS נראה כך:

איורים: ין כריסטיאנסן

תיאוריית BCS הניבה ניבויים מוצלחים רבים, כולל הטמפרטורות המכונות "קריטיות" שמעליהן מוליכי-העל מאבדים את כוחות העל שלהם. אבל היא לא הועילה כמעט בכלל לחיפוש אחר מוליכי-על חדשים בעלי טמפרטורות קריטיות גבוהות יותר. צייד מוליכי-העל המצליח ביותר היה למעשה נסיין בשם ברנד מתיאס (Matthias) שהתעלם לחלוטין מתיאוריית BCS במלאכת הציד שלו. מתיאס גילה מאות מוליכי-על (רבים מהם היו סגסוגות מתכת) בין שנות ה-50 לשנות ה-70, על ידי כך שבחן אינספור חומרים במעבדתו, בעיקר בהשראת חמישה כללים הנוגעים לתכונות החומרים (למשל: "סימטריה גבוהה זה טוב") ועיקרון גורף אחד: "לא להקשיב לתיאורטיקנים".

אך למרות שללו הרב של מתיאס, הטמפרטורה הקריטית הגבוהה ביותר שנצפתה במוליכי-על האמירה לאט מאוד – מ-17 מעלות קלווין ל-23 מעלות – בין 1955 ל-1973. והיא נותרה 23 מעלות עד 1986, שהייתה השנה שבה גיאורג בדנורץ (Bednorz) ואלכס מילר (Müller), מדענים עובדי IBM בציריך, גילו מוליכות-על בקבוצה של חומרים קרמיים בעלי שכבות מורכבות המכונים קוּפְּרטים (Cuprates). החומרים האלה עדיין מחזיקים בשיא הטמפרטורה בלחץ הסביבה, שקבעו בשנת 1993: 135 מעלות קלווין. בניגוד למתיאס, לבדנורץ ולמילר "הייתה השקפה תיאורטית מגובשת מאוד בנוגע ליעד החיפוש שלהם", אומר הפיזיקאי פיטר ליטלווד (Littlewood) מאוניבריסטת שיקגו. "אבל הרעיונות התיאורטיים שלהם היו שגויים כנראה".

הם היו שגויים משום שהתבססו על תיאוריית BCS ועל הנחת היסוד שלה: שתנודות של סריג אטומי, שקרויות פונונים, הן אלה שיוצרות צמדי קופר. המדענים אומנם מאמינים עדיין שהצמדים האלה, לצד התעבות בוז-איינשטיין, אכן עומדים מאחורי מוליכות-העל של הקופרטים, אך רבים מהם סבורים כיום שקשרי קופר בקופרטים תלויים באינטראקציה אלקטרומגנטית ישירה כלשהי בין האלקטרונים ולא בפונונים – או לפחות לא רק בהם.

למרבה הצער קשה מאוד ליצור מודלים מתמטיים של האינטראקציות הישירות האלה, כך שגם אחרי יותר משלושים שנות מחקר אינטנסיבי המדענים לא הצליחו לנסח תיאוריה שתסביר את הקופרטים כפי שעשתה BCS למוליכי-על קרים מאוד, או אפילו להגיע להסכמה על פרטי המנגנון שבו נוצאים קשרי קופר בין אלקטרונים.

מדענים משייכים את הקופרטים – לצד סוגים אחרים של מוליכי-על – לקטגוריה כללית ומעורפלת של חומרים שמוליכות-העל שלהם נשענת כנראה על סוגים אלה ואחרים של אינטראקציות ישירות בין אלקטרונים. החומרים האלה נקראים מוליכי-על לא קונבנציונליים, כדי להבחין ביניהם לבין הסוג הקונבנציונלי והתלוי בפונונים שמתארת BCS.

בדנורץ ומילר מצאו אם כן את מבוקשם, אבל בדרך שונה מכפי שציפו. וזוהי בדיוק דרכה ההפכפכה של מוליכות-העל. ב-2006, למשל, נתקלו המדענים במקרה במוליכי-על מבוססים על ברזל – סוג לא קונבנציונלי נוסף שאין תיאוריה שמתארת או מנבאת אותו –  במהלך מחקר שנועד דווקא לשפר מסכים דקים. "כמעט תמיד אנחנו מגלים חומר מוזר חדש כלשהו", אומר ליטלווד, "שממנו אנחנו לומדים על מנגנון חדש [ליצירת צמדי קופר] שלא עלה עד אז בדעתנו".

מחסום הטמפרטורה

מוליכות-על אוהבת קור, אומר מדען החומרים מייקל נורמן (Norman) מאַרְגוֹן, כי "טמפרטורה גבוהה היא פשוט רעה" לשימור התנהגות קוונטית דמוית-גל בקנה מידה שימושי מקרוסקופי. אנרגיית החום נוטה לשבור את הקשרים של צמדי קופר ולשבש את המצב הקוונטי המתואם של התעבות דמוית-גל.

מספר הצמדים בהתעבות ועוצמת הקשרים המצמידים אותם יחד יוצרים מחסום שבולם את ההפרעה התֶרְמִית. הטמפרטורה הקריטית של מוליך-על מייצגת את שיא המחסום הזה – מעליה הוא לא יוכל עוד לעמוד בפני החום. (משערים שהמחסומים הגבוהים של הקופרטים, למשל, נובעים מכך שהאינטראקציות הישירות בין האלקטרונים שבהם יוצרות קשרי קופר חזקים יותר מאלה הנובעים מהמנגנון העקיף של הפונונים).

ועדיין "אינני חושב שמישהו כיום מפקפק באפשרות קיומו של מוליך-על בטמפרטורת החדר בלחץ הסביבה", אומר נורמן, בין השאר בשל האופן שבו מוליכי-על ומנגנוני צימוד חדשים צצים חדשות לבקרים. הפיזיקאי איגור מייזין (Mazin) ממעבדת המחקר של חיל הים האמריקאי בוושינגטון מסביר שאפילו במוליכי-על קונבנציונליים אין "מגבלה עקרונית" על הטמפרטורה הקריטית, אלא רק "מעין מגבלה סטטיסטית" – שפירושה שהסיכוי לקיומם של חומרים בעלי טמפרטורה קריטית גבוהה פשוט נמוך יותר.

רכבת מהירה המבוססת על מוליך-על ביפן | תרשים: Science Photo Library

צימוד באמצעות פונונים נוטה להיות חזק יותר ככל שהסריג האטומי יציב פחות (סריג אטומי קשיח לגמרי אינו יכול לתמוך במוליכות-על קונבנציונלית, שכן היא מחייבת  שהסריג יימשך לעבר אלקטרון). לפיכך נראה שהצימוד האיתן במיוחד הנדרש ממוליכות-על קונבנציונלית מחייב סוג מיוחד של מבנה גבישי, שאפשר להשוותו לתוכניות הבנייה המורכבות שבהן משתמשים מהנדסים בוני גשרים בימינו כדי להקנות להם יציבות למרות תגובתם הגמישה לרוח.

אז גם אם מוליכי-על בטמפרטורת החדר קיימים, אין ספק שהם נדירים. אך הממדים העצומים של שדה החיפוש מעוררים תקווה: כמאה היסודות היציבים הקיימים בטבלה המחזורית יכולים להניב 4,950 שילובים של שני יסודות, 161,700 שילובים של שלושה יסודות וכן הלאה. אם נביא בחשבון שיקולים הקשורים לסטויכיומטריה (היחסים בין יסודות בתרכובות) ולמבנה הסריג, נקבל אין-ספור אפשרויות. אז איך מדענים מוצאים את החומרים יוצאי הדופן בערימת השחת הכימית הזאת?

חלום מוליך-העל

בבוקר אחד בנובמבר 2017 שקע סומאיאזולו במחשבות בשעה שנסע לעבודה. הניסוי שערך כדי לבחון אם LaH10 מתאים לשמש כמוליך-על לא עלה יפה. הוא נאלץ להחליף אטם מתכתי בתא סדן היהלום ולשים במקומו חומר מבודד כדי למנוע קצר במהלך מדידת ההתנגדות. אבל במשך חודשים דלף גז מימן שוב ושוב בכל מערך שהצוות ניסה. "כל יום דנו בזה ואז עשינו עוד ניסיון", מספר סומאיאזולו. "זה היה מתסכל מאוד".

ואז, בעיצומו של פקק תנועה בכביש הטבעת המקיף את וושינגטון, צץ במוחו רעיון: "מה אם נשתמש במקור מימן מוצק?" סומאיאזולו חשב שאמוניה בוראן, חומר עתיר מימן שהוא התוודע אליו במחקר קודם, עשוי לשחרר אמוניה בדיוק באופן הנדרש. בתום כמה חודשים של ליטוש, המערך פעל. סומאיאזולו צפה בהתנגדות של LaH10 צונחת ב-265 מעלות קלווין. הוא הספיק לצלם את זה בטלפון שלו, ואז המחשב של הצוות קרס ויהלומי התא נהרסו. התמונה נותרה השריד היחיד מההישג שלהם, ורק כעבור שישה חודשים נוספים הם הצליחו לשחזר אותו.

סומאיאזולו נזקק לכמעט 25 שנה כדי לדחוס מימן לתוך מוליך-על. היה זה חלום שכבר המלי ניסה להגשים במשך עשורים, על בסיס תחזית שניסח במקור הפיזיקאי ניל אשקרופט (Ashcroft) מאוניברסיטת קורנל ב-1968. ב-1983 העריך אשקרופט שיידרש לחץ של כעשרה מיליון אטמוספרות כדי להפיק חומר כזה, אך הוא גם שיער שהוספת יסוד שני תוכל לצמצם את הדרישה הזאת בכך שהיסוד הנוסף יפעל כמו טריז וישבור את מולקולות ה-H2 שהמימן נוטה ליצור. אטומי המימן הבודדים שישתחררו כך עשויים להתנודד באופנים שיעודדו מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה: הקשרים הגמישים ביניהם יקדמו צימודים פונוניים חזקים בין אלקטרונים, והמסות האטומיות הקטנות שלהם יטפחו פונונים שיתנודדו בתדירות גבוהה במיוחד (כלומר באנרגיה גבוהה מאוד), וכך יימשכו המוני אלקטרונים להתעבות.

לנתנום הידריד
לנתנום הידריד, כלומר LaH10, מוליך-העל בטמפרטורה הגבוהה ביותר שהתגלה עד כה, מפגין מוליכות-על גם בטמפרטורה גבוהה במידה מפתיעה של מינוס 8.3 מעלות צלזיוס, ואולי אפילו יותר – אך תחת לחץ גבוה במיוחד. המדענים הפיקו LaH10 בעזרת מתקן המכונה תא סדן יהלום, שדוחס יחד מימן ולנתנום. החומר שנוצר מכיל סריג של אטומי מימן המקיפים אטום לנתנום בודד (בוורוד) במבנה דמוי כלוב שכנראה מועיל במיוחד למוליכות-לעל.

מקור: סינתזה ויציבות של לנתנום על-הידרידים, מאת זכארי גבאל ואחרים, Angewandte chemie, מהדורה בינלאומית, 57(3)

מאז 1994, טז הגיע סומאיאזולו מהודו למכון קרנגי כדי לעבוד עם המלי בתור פוסט-דוקטורנט, הוא לא חדל לרסק ולחמם שלל תרכובות מימן בדרכים רבות ולחשוף הרבה פיזיקה מעניינת אך בלי שום זכר למוליכות-על. "אני מנסה כאן לאלח מימן באופן שיטתי עם כל מיני דברים", הוא מספר. "אני דוחס אותו ללחצים גבוהים יותר יותר, ושום דבר לא קורה. אני חושב לעצמי: 'האם אשקרופט טעה?'"

האמת היא שאשקרופט צדק, אבל כדי להוכיח את זה היה צורך בסוג חדש של תוכניות מחשב ל"חיפוש מבני". התוכניות האלה מחפשות תרכובות מתאימות בעזרת הזזה וירטואלית של אטומים עד שהם מוצאות מבנה גבישי יציב, שבהתאם לחוק השני של התרמודינמיקה הוא המבנה שמאבד הכי מעט אנרגיה כחום. אחדות מהתוכניות משתמשות בגישת החיפוש האבולוציוני, שמתחילה בקבוצה של מבנים גבישיים, משלבת אותם זה בזה, בוררת את הצאצאים הטובים ביותר לרבייה, וחוזר חלילה עד שנמצא המועמד הטוב ביותר. לאחר מכן מיישמים המדענים את תיאוריית BCS כדי לאמוד את הפוטנציאל של המבנה למוליכות-על ולהעריך מהי הטמפרטורה הקריטית שלו.

ב-2012 השתמשה קבוצה בסין בראשות יאנמינג מה (Ma) בתוכנית כזאת וחזתה – לפי רוח הרעיונות של אשקרופט – שאפשר להפיק הידריד של סידן (CaH6) בלחצים שנוצרים בתא סדן יהלום, ושהחומר זה יהיה מוליך-על בטמפרטורה גבוהה. המלי וצוותו מיהרו לרסק סידן לתוך מימן, והם לא היו היחידים.

ב-2014 ניסתה קבוצה בגרמניה, בראשותו של מיכאיל ארמץ (Eremets), להגשים תחזית נוספת של מה: שמימן גופריתי (H2S), הגז הרעיל הנפלט מביצים סרוחות, עשוי להיות מוליך-על בטמפרטורה של 80 מעלות קלווין תחת לחץ גבוה מספיק. קבוצתו של ארמץ דחסה את הגז המצחין לתא סדן יהלום והופתעה לגלות שהוא ממשיך להפגין מוליכות-על אפילו בטמפרטורה של 203 מעלות קלווין. ארמץ גילה במקרה תרכובת מוליכת-על נוספת, H3S, שהחזיקה בשיא הטמפרטורה לפני שסונתז LaH10.

החיפוש של המלי הפך כעת למרוץ. ב-2017, בעזרת הפוסט-דוקטורנט האניו ליו (Liu) מקבוצתו של מה, השתמש המלי באלגוריתם של חיפוש מבני לניבוי LaH10 ושלח את חברי קבוצתו לסנתז את התרכובת הזאת. עד מהרה נחל גם ארמץ הצלחה; הוא אושש את קיומה של הצניחה המשוערת ביכולת ההתנגדות החשמלית וממש לאחרונה ביצע שורה ארוכה של ניסויים מקיפים יותר בתרכובת כדי לבחון עד כמה היא מתאימה לתיאוריית BCS. היא צלחה אותם בשלום.

התגליות האלה משלבות יסודות של תכנון עם מזל. LaH10, למשל, נולד מההצעה של המלי לליו להתמקד בתרכובות עם שיעור המימן הגבוה ביותר האפשרי, כדי להתקרב כמה שיותר לרעיון המקורי של אשקרופט. לעומת זאת, המדענים משערים שהביצועים של LaH10 בטמפרטורה גבוהה נובעים בחלקם מאופני התנודה של מבנהו המרושת והייחודי, עם אטומי המימן המקיפים אטום לנתנום במעין "כלוב" –  תצורה ש"לא היתה עולה לעולם על דעתם" של התיאורטיקנים, כדברי הכימאית אווה זורק (Zurek), העוסקת בחיפושים מבניים באוניברסיטת באפלו.

אך גם אם מדובר בתכנון וגם אם במזל, התוכניות החדשות החיו את הרלוונטיות של תיאורטיקנים כמו מה בחיפוש אחרי מוליכי-על. "אני חושבת שהנסיינים מתייחסים אלינו הרבה יותר ברצינות עכשיו", אומרת זורק.

עקרונות תכנוניים

העובדה שהתיאורטיקנים זירזו את הגילוי של H3S ו-LaH10, מוליכי-על קונבנציונליים שתיאוריית BCS חלה עליהם, היא מרשימה בפני עצמה. אך מה שמפתיע עוד יותר היא האפשרות שהם גם יחישו את הגילוי של מוליכי-על לא קובנציונליים, שעבורם אין לפיזיקאים שום תיאוריה.

LaH10 לא היה למעשה הסיפור הגדול היחיד של מוליכות-על ב-2018. הסיפור הגדול השני היה גילוי התופעה הזאת בגרפן דו-שכבתי מסובב. גרפן הוא יריעה בעובי של אטום אחד של אטומי פחמן המסודרים בסריג בעל שש צלעות. גרפן דו-שכבתי מסובב מכיל שתי יריעות כאלה, זו מעל זו, שסריגיהן נוטים זה ביחס לזה בזווית מסוימת. למרות הטמפרטורה הקריטית הנמוכה של החומר הזה – 1.7 מעלות קלווין – הוא מכיל קשרי קופר חזקים מאוד בין צמדי אלקטרונים. המבנה הפשוט שלו, הכולל יסוד אחד ויחיד, עורר תקווה שנבין אותו מבחינה תיאורטית וכך נשפוך אור על מוליכות-העל באופן כללי.

התגלית הזאת נמצאת על קו התפר שבין הגילוי המקרי לניבוי ממוחשב – "זה חצי חצי", אומר פבלו ג'רילו-הררו (Jarillo-Herrero), ראש הקבוצה האחראית לתגלית במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). החומר פועל כמוליך-על רק בזווית סיבוב "קסומה" של 1.1 מעלות, ערך שצץ תחילה במודל ממוחשב. התיאורטיקנים אומנם צדקו כשחזו שהזווית הזאת תחולל זינוק באינטראקציות בין אלקטרונים, אך לא העלו על דעתם שהתוצאה תהיה מוליכות-על. ההפתעה נחשפה רק במעבדה.

מוליך-על דו-ממדי מגרפן | תרשים: Science Photo Library

ועדיין, הממצא הזה מדגיש את הפוטנציאל הטמון במה שנורמן מכנה עקרונות תכנוניים: גדלים בני-חישוב יכולים לסייע בניבוי מוליכות-על גם אם אין תיאוריה כוללת. חמשת הכללים של מתיאס היו דוגמה לעקרונות כאלה, אך בסופו של דבר צצו לכולם יוצאי דופן במהלך העבודה על מוליכי-על לא קונבנציונליים. אבל במאמר משנת 2016 ציין נורמן שאפילו מוליכי-על מסוגים שונים מפגינים קווי דמיון משמעותיים, כולל מאפיינים רבים של דיאגרמות הפאזות שלהם, כלומר תרשימים שמראים איך תכונותיהם משתנות בהשפעת משתנים כמו לחץ וטמפרטורה. הוא גם קבע שמבנים שכבתיים מעין-דו-ממדיים, כמו הקופרטים, מעודדים כנראה טמפרטורות קריטיות, בעיקר מבנים גבישיים מסוימים.

ככל שיופיעו יותר סוגים של מוליכי-על, טען, כך צפויים להיחשף יותר עקרונות תכנוניים. אפילו כיום, אחרי שקוטלגו כבר ואופיינו יותר מ-12 אלף חומרים מוליכי-על מוכרים, יש טעם לתהות אם עקרונות תכנוניים מועילים שטרם התגלו מסתתרים עדיין בנתונים הקיימים.        

אלגוריתמים של למידה חישובית, או למידת מכונה (Machine learning), הם תוכניות מחשב שמשנות את עצמן ככל שהן מקבלות יותר נתונים. בשנה שעברה אימנו אלגוריתם כזה על בסיס נתונים של אלפי חומרים והוא פיתח את היכולת לזהות מוליכי-על (קונבנציונליים ולא קונבנציונליים גם יחד) במערך נתונים אחר, בדיוק של 92 אחוז, ולהעריך את הטמפרטורות הקריטיות שלהם.

יתר על כן, הוא השתמש לשם כך רק בתכונות פשוטות של יסודות, כמו משקל אטומי וטמפרטורת היתוך. אך "מה שמעניין אינו עצם העובדה שאלגוריתם למידה חישובית יכול לעשות את זה", אומר ולנטיין סטאנב (Stanev) מאוניברסיטת מרילנד, שהיה המחבר הראשון של המאמר. "השאלה המעניינת היא איך הוא עושה את זה. התובנה האמיתית טמונה בפרמטרים המנבאים שבהם משתמשים". 

סטאנב ציין שהעיקרון התכנוני החשוב ביותר שהאלגוריתם חשף על הטמפרטורות הקריטיות של הקופרטים הוא פרמטר (שקשור למספר האלקטרונים במסלולים החיצוניים ביותר של אטומי התרכובות) שלמיטב ידיעתו עד כה התעלמו ממנו לחלוטין. אפשר לקוות שככל שיזוהו עוד ועוד פרמטרים מנבאים כאלה, אפשר יהיה ליישם אותם יחד כדי לזרז את החיפוש אחרי מוליכי-על חדשים וטובים יותר.

במקום להסתמך על מזל במעבדה, אומר מדען החומרים סטפנו קורטרולו (Curtarolo) מאוניברסיטת דיוק, שהיה שותפו של סטאנב לכתיבת המאמר, "למידה חישובית תציע תת-קבוצה של חומרים שכדאי לבחון אותם. כך, במקום שהנסיינים יבחנו עשר תרכובות ויבלו שנה שלמה במעבדה, הם יבחנו במחשב 10,000 תרכובות בתוך שבועות ספורים".

מגיה שחורה

התיאורטיקנים אומנם כבר החלו לנבא תרכובות חדשות ומעניינות, אך עדיין ארוכה הדרך לפני שיוכלו לספק הנחיות מפורטות להפקתן במעבדה. "אתה עושה משהו שעובד כמו שצריך", מסביר סומאיאזולו את תהליך סנתוז החומרים, "ופשוט ממשיך לעשות בדיוק אותו דבר כדי שזה ימשיך לעבוד, בלי שיהיה לך מושג למה אתה עושה את זה".

נדרשו לו שישה חודשים לשחזר את ניסוי מוליכות-העל עם LaH10, למשל, שכן החוקרים נאלצו לתקן שוב ושוב את נוהל הכנת התרכובת הזאת. אבל הם לפחות הצליחו ליצור LaH10, מה שאי אפשר לומר על CaH6 – תרכובת שחזה החיפוש של מה ב-2012, אך כל הניסיונות לסנתז אותה העלו חרס.

והאיטריום? אל תעזו להזכיר את המתכת הזאת בנוכחות סומאיאזולו. איטריום הידריד (YH10) אמור לתפקד כמוליך-על בטמפרטורות גבוהות אפילו יותר מ-LaH10, אך התנהגותו בניסויים שערך סומאיאזולו הייתה "מחרידה". תעלול האמוניה בוראן, למשל, לא עובד עם איטריום הידריד. הוא לא עבד גם עם סלניום בלחץ גבוה, אם כי הוא אכן פעל בלחצים נמוכים. ואל תשכחו איך ארמץ גילה במקרה את H3S, כשהיעד שהציב לעצמו היה דווקא H2S. סינתזת חומרים היא אפוא במידה רבה עדיין מגיה שחורה. 

ובינתיים, שיטת החיפוש המבני מערימה קשיים משלה. "כדי להפעיל אלגוריתם מספיק ללחוץ על כפתור", אומרת זורק. "אבל הניתוחים הנלווים עלולים להיות קשים ביותר, ולא הייתי מטילה משימה כזאת על מי שאינו מומחה", היא מוסיפה ומגחכת.

סומאיאזולו. חיפוש אחרי מוליכי-על בטמפרטורות חמות | צילום: ספנסר לוול

למחשב-על דרוש בממוצע כשבוע להשלים חיפוש עם סטויכיומטריה ולחץ נתונים מראש, ומזוג יסודות נתון אפשר לקבל שילובים מעניינים רבים כאלה. העומס החישובי הכבד, ומורכבות הניתוח, מגבילים את רוב החיפושים לתרכובות של שני יסודות בלבד ולתא יחידה (היחידה הבסיסית של גביש) דל באטומים. "עדיין איננו יכולים לנבא באופן אמין מערכת של שלושה יסודות ותא יחידה של 50 אטומים", מודה זורק.

בפני עצמן, תוכניות של למידה חישובית אינן חייבות לכלול חישוב אינטנסיבי במיוחד. סטאנב הריץ את התוכנית שלו על מחשב נייד. המגבלה המשמעותית שלהן (ושל עקרונות תכנוניים בכלל) היא שהן יכולות לקדם רק לקחים שאפשר להסיק ממוליכי-על מוכרים, כך שאין סיבה לצפות שיחשפו סוג חדש לגמרי של מוליכי-על.

ובנוגע ל-LaH10 ולשאר ההידרידים, התשובה לשאלה איזו מורשת הם יותירו אחריהם תלויה בזהות הנשאל. המלי, שעבר לאחרונה לאוניברסיטת אילינוי בשיקגו, מקווה שיהיה אפשר להסיק מהם איך ליצור חומר "אנלוגי" שיוכל לשמור על סגולת מוליכות-העל בטמפרטורה גבוהה גם בלחץ הסביבה. ליטלווד אינו שולל את האפשרות הזאת. אך מדענים אחרים מפקפקים בכך בגלל התרומה המכריעה שהייתה עד כה ללחץ לביצועי ההידרידים. "אנחנו יכולים להרשות לעצמנו צימוד אלקטרוני-פונוני חזק בלי שיישבר הגביש", מסביר מייזין, "כל עוד יש לחץ חיצוני ששומר על שלמותו". 

אם חומר אנלוגי כזה אכן ייתכן, הוא יכלול כנראה שלושה יסודות לפחות, אומרת זורק, ומייזין מעריך שיהיה לו מבנה גבישי מורכב. ככלל, מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות נוטים כנראה להיות חומרים מורכבים יותר. מוליכי-על חד-יסודיים שהטמפרטורות הקריטיות שלהם היו חד-ספרתיות נפלו חלל בידי סגסוגות המתכת של מתיאס, שבתורן איבדו את הבכורה לחומרים עם יותר יסודות ומבנים גבישיים מורכבים יותר. אם, כפי שמומחים רבים סבורים, האפשרות הטובה ביותר להגשים את חלום טמפרטורת החדר טמונה במוליך-על מסוג שלא התגלה עדיין. סביר להניח שהוא מסתתר אי שם במעמקי גבולותיה האינסופיים של הטבלה המחזורית.

סומאיאזולו מרוצה מצידו מכך שזנח את ההתנגדות של מתיאס לתיאורטיקנים. באַרְגוֹן הוא דיבר בלהט על הניסיונות הכושלים לסנתז CaH6: על המאמצים שהושקעו בניסיונות להפיקו ועל הדיונים שניהל בתוך כך עם תיאורטיקנים. לעיתים הנסיינים למדו משהו מהתיאורטיקנים, ולפרקים ההפך. מבחינת סומאיאזולו, זוהי מורשתם העיקרית של ההידרידים: "לולאת המשוב" החדשה הזאת בין הניסוי לתיאוריה. "כל פעם שאנשי תיאוריה מנבאים משהו, יש סיכוי של חמישים אחוז שזה יעבוד", הוא אומר. "אבל לפחות החמישים אחוז האלה קיימים באמת".

תרגם: מיכאל אלעזר

פורסם במקור בגיליון אוקטובר 2019 של כתב העת Scientific American

לעיון נוסף

  • Superconductivity at 250 K in Lanthanum Hydride under High Pressures. A. P. Drozdov etal. in Nature, Vol. 569, pages 528–531; May23, 2019.
  • Evidence for Superconductivity above 260 K in Lanthanum Superhydride at Megabar Pressures. Maddury Somayazulu etal. in Physical Review Letters, Vol. 122, No.2, Article No. 027001; January14, 2019.
  • Viewpoint: Pushing towards Room-Temperature Superconductivity. Eva Zurek in Physics, Vol. 12, No. 1; January2019.

מארכיון סיינטיפיק אמריקן

  • Low-Temperature Superconductivity Is Warming Up. Paul C. Canfield and Sergey L. Bud’ko; April 2005.
  • Room-Temperature Superconductors. Michael Moyer; June 2010.

 

0 תגובות