על פקקי תנועה אלקטרוניים, מחסומי אנרגיה ושדות מגנטיים

01.12.2004
ד"ר דן שחר. התנגדות אפסית
 
 
הטבע המציא כל מיני סידורים מעניינים ומפתיעים לאלקטרונים המצויים בחומר שמקורר לטמפרטורות הנמוכות ביותר", אומר ד"ר דן שחר מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה. "אנחנו חוקרים את התכונות של חומרים קרים עד כדי כך שהאטומים המרכיבים אותם כמעט חדלים מלנוע ולרטוט כפי שהם עושים בסביבה חמה יותר. במצב ה'קפוא' הזה אפשר לראות כיצד חלקיקי החומר מתנהגים לפי חוקי הפיסיקה הקוונטית".
 
מוליכות-העל היא תכונה היכולה להמחיש את התופעה הזאת. לפני 100 שנה, בערך, גילו המדענים דרך שאיפשרה להם לקרר חומרים לטמפרטורות של מאות מעלות מתחת לנקודת הקיפאון. כשעשו זאת, מצאו להפתעתם שחומרים מסוימים, בעת שהטמפרטורה שלהם צנחה מתחת לנקודה קריטית מסוימת, הפכו למוליכי על,כלומר, זרם חשמלי שזורם דרכם אינו נתקל בדרכו בשום התנגדות. באותם החומרים, כשהם נתונים בטמפרטורת החדר, ההרכב האטומי של הגבישים גורם להתנגדות לזרימת אלקטרונים. כאשר ההתנגדות בחומר נמוכה יחסית, בחוטי נחושת למשל, אומרים שהחומר מוליך; וחומר בעל התנגדות גבוהה, כמו גומי, נקרא מבודד. אבל, על אף שבחומרים המצויים במצב של מוליך-על אין התנגדות לזרם חשמלי, אפשר להחזיר אותם למצב של התנגדות לזרם, באמצעות חשיפתם לשדה מגנטי חזק.
 
ד"ר שחר, ד"ר גנפתי סמבנדמורתי, ותלמיד המחקר אנדריאס יוהנסון, חקרו את תגובתו של מוליך-על דק מאוד לשדה מגנטי. הם השתמשו בתחמוצת אינדיום, חומר שמשמש לצגי גבישים נוזליים. בשל דקותה של שכבת מוליך-העל, מוגבלות בה תנועות האלקטרונים לשני ממדים בלבד. את המערכת הזאת חשפו החוקרים לשדה מגנטי חזק.
 
כאשר החומר הגיע לטמפרטורה שבה - ללא השפעת השדה המגנטי - ההתנגדות הייתה יורדת באופן מהיר לאפס, קיבלו חברי צוות המחקר תוצאות משונות מאוד: במקום שההתנגדות תישאר יציבה בנוכחות השדה המגנטי, היא קפצה באופן דרמטי בטמפרטורה הקריטית, וחומר שבדרך כלל מתנהג כמוליך, הפך למבודד.
 
מה גורם להיפוך הזה? "באופן אירוני", אומר ד"ר שחר, "כנראה התשובה כרוכה בתכונות היסוד של תופעת מוליכות-העל עצמה. בחומרים מוליכי-על, האלקטרונים מתארגנים ונעים יחד בזוגות הקרויים "זוגות קופר". ברגע הקריטי בניסוי, ההתערבות של השדה המגנטי גורמת לכך שהחומר יהיה בעת ובעונה אחת גם מוליך-על וגם לא מוליך-על. כלומר,חלק מהאלקטרונים ניסו לזרום כדרך שהם זורמים בחומר מוליך-על - בזוגות, וחלק ניסו לזרום כיחידים - כפי שאלקטרונים זורמים בחוט חשמל רגיל. אבל, הכוחות שגורמים לקשרים בין שני האלקטרונים בזוגות קופר מייצרים סביב עצמם, בנוסף לכך, מחסומי אנרגיה שחוסמים את זרימת האלקטרונים הבודדים. התוצאה הייתה מין פקק תנועה של אלקטרונים שבו - כמעט כמו בכביש מצוי במדינת ישראל - אף אחד לא נותן לשני לעבור על פניו.
 
כאשר עוצמת השדה המגנטי עלתה מעל למידה מסוימת, ההתנגדות ירדה שוב לרמות הנורמליות, מכיוון שהשפעת השדה המגנטי גברה על השפעתו של מוליך-העל.
 
בניסוי חדש המתנהל בימים אלה, הצליחו ד"ר שחר וצוותו להגביל את תנועת האלקטרונים במוליך-על למימד אחד בלבד. יחד עם פרופ' רשף טנא, ראש המחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, הם יצרו ננו-חוטים העשויים אינדיום אוקסיד (המצוי במצב של מוליך על). הננו-חוט מוליך-העל הזה הונח על פני ננו-צינוריות המיוצרות במעבדה של פרופ' טנא מחומר שאינו מוליך. כיצד ישפיע השילוב הזה על תנועת האלקטרונים במוליך-העל? ומה יקרה כשעל המערכת יופעל שדה מגנטי חזק? הממצאים הראשוניים של הניסוי הזה - שיתפרסמו בעתיד הקרוב - כבר רומזים על פתיחת דרך אפשרית ליישומים עתידיים במספר תחומים.
 

מוליכי-על

תחבורה סופר-מהירה ללא חיכוך, חשמל שזורם בחוטים ללא איבוד כוח, מפסקים אלקטרוניים מהירים יותר, ייצור חשמל יעיל יותר - אלה חלק מהחידושים שהאפשרויות לפיתוחם דוחפות מדענים ותעשיינים להמשיך ולחקור את תופעת מוליכות-העל בחומרים שונים. יש רק בעיה אחת: מוליכי-על פועלים - עד כה - רק בטמפרטורות הנמוכות אפילו מאלה של החורף הארקטי.
 
גילוי מוליכות-העל התחולל יד ביד עם ניסויים בהקפאת חומרים לטמפרטורות קרובות לאפס מוחלט (מינוס 273 מעלות צלסיוס). הפיסיקאי ההולנדי הייקה קמרלינג אנאס הבחין בתופעה הזאת לראשונה בשנת 1911 בכספית שקוררה לטמפרטורת העיבוי של ההליום: ארבע מעלות קלווין (מינוס 269 מעלות צלסיוס). תגלית זו זיכתה אותו בפרס נובל לשנת 1913.
 
אבל כיצד נוצרת תופעת מוליכות-העל? שאלה זו נותרה במשך שנים רבות תעלומה בלתי-פתורה. בשנת 1933 הוכיחו כמה מדענים, שמוליכי-על דוחים שדות מגנטיים. היום, תגלית זו היא הבסיס לרכבות ה"מגלב" המהירות, המנצלות את הדחייה הזאת להסעת קרונות רכבת הנדחים מפני המסילה, דבר שמפחית במידה רבה את החיכוך, ומגדיל את מהירות הנסיעה.
 
רק בשנת 1957, שלושה מדענים - ברדין, קופר ושריפר - פיתחו וניסחו תיאוריה על מוליכות-העל. תיאוריה זו, שהתקבלה בקרב הפיסיקאים, זיכתה את השלושה בפרס נובל לשנת 1972.
 
חלק גדול ממחקר מוליכות-העל שמתבצע בעשורים האחרונים מתמקד בייצור חומרים חדשניים שהופכים למוליכי-על בטמפרטורות גבוהות יחסית. מוליך-העל הפועל בטמפרטורות הגבוהות ביותר שפותח עד כה פועל בטמפרטורה של 138 מעלות קלווין (מינוס 135 מעלות צלסיוס).
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם