סודותיה של מערבולת בודדת

 

אחת העובדות הידועות זה כבר למדענים היא, ששדות מגנטיים יכולים לשבש ולהרוס את מוליכות-העל של החומר. לכן, מוליכי-על "מגינים על עצמם" על-ידי דחיית כל שדה מגנטי חיצוני שאליו הם נחשפים - תופעה הקרויה "אפקט מייסנר". עם זאת, סוגים מסוימים של מוליכי-על מאפשרים לשדה מגנטי לחדור לתוכם תוך שהם שומרים על תכונת מוליכות-העל שלהם. הם עושים זאת על ידי פירוק השדה החודר ל"איים" קטנים אשר מקבלים צורה של מערבולות דמויות צינור. במצב כזה, מוליכות-העל נהרסת במרכזה של המערבולת, אך נשמרת מחוצה לה. כאן עולה קושי הנובע מכך שהמערבולות זזות בנוכחות זרם חשמלי - תנועה אשר גורמת להתנגדות לזרם. כך פוגעות המערבולות במוליכות-העל של החומר, והופכות אותו ליעיל רק במעט מחוט נחושת (מוליך) רגיל. דרך אחת למנוע את התהליך הלא-רצוי הזה, ולחסום את תנועת המערבולות, היא לקבע אותן לפגמים במוליך-העל. כשמכניסים פגמים מתוכננים היטב למוליך-על, הזרם זורם ביעילות רבה יותר.

 

שדות מגנטיים מהווים מרכיב הכרחי במרבית היישומים של מוליכי-העל. לכן, הבנה מלאה של הפיסיקה העומדת בבסיס המערבולות היא בעלת חשיבות יישומית רבה. באחרונה הצליחה קבוצת מדענים מאוניברסיטת סטנפורד, ובהם בוגר מדרשת פיינברג, ד"ר אופיר אוסלנדר, ופרופ' זלדוב ששהה במקום בשנת שבתון, לפתח שיטה חדשה וייחודית, המאפשרת למדענים לבחון את המערבולות במבט קרוב מאי-פעם. בדרך זו הצליחו לחשוף נתונים חדשים על המבנה והדינמיקה של המערבולות, ועל הפגמים המיקרוסקופיים המקבעים אותן.

 

  השיטה הייחודית שפיתח צוות המדענים, אשר פורסמה באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, מבוססת על מיקרוסקופ כוח אטומי. באמצעות המחט המגנטית הזעירה של המיקרוסקופ הצליחו המדענים לא רק למדוד את תכונותיה הפיסיקליות של מערבולת בודדת, אלא גם לשנות את מיקומה באופן ידני בתוך מוליך-העל. כך הראו, כי באמצעות חקירת השינויים המתחוללים במערבולת בודדת ניתן להבין את יחסי הגומלין שבין המערבולות לבין הפגמים במוליך-העל. תובנות אלה, הנוגעות לפרטים הקטנים, מאפשרות ליצור "תמונה רחבה" של התנהגות מוליכי-על - הנחוצה לצורך יישום טכנולוגי יעיל שלהם.

 

המחקר של פרופ' זלדוב ושותפיו כבר הוביל למספר תוצאות מפתיעות, הנוגעות לאחד ממוליכי-העל הנחקרים ביותר, אשר עשוי מחומר הקרוי YBCO. באמצעות מחקר של מערבולות בודדות הראו החוקרים, כי המבנה הפנימי של החומר מגוון הרבה יותר ממה שסברו עד כה. ממצאים מעניינים נוספים קשורים לתנועה של המערבולות. כך, למשל, התגלה כי טלטול של המערבולת במהלך הזזתה מאפשר להעביר אותה מרחקים גדולים הרבה יותר. ממצאים אלה עשויים להיות חשובים להבנת התנהגותן של המערבולות בנוכחות זרם חשמלי.

 

יתרונה החשוב של השיטה החדשה הוא ביכולתה להשיג מידע על המתחולל בתוך מוליך-העל, בניגוד לשיטות אחרות המאפשרות לחקור את פני השטח בלבד. עם זאת, רבים מממצאי המחקר אינם ברורים די צורכם, ודרושות בדיקות נוספות - עליהן עובדים המדענים בימים אלה. בנוסף, למרות יתרונותיו של מיקרוסקופ הכוח האטומי, השימוש בו מהווה מדידה פולשנית - משום שהמחט המגנטית הזעירה מגיבה עם  המערבולות שבחומר. פרופ' זלדוב וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה במכון ויצמן למדע, מחפשים כעת דרכים לא פולשניות לביצוע מדידות ושינויים של מערבולות בודדות, בתקווה לקדם את ההבנה של התנהגות מוליכי-העל צעד נוסף קדימה.