התנגדות, התנתקות ועל-מוליכות

 

 

זרם חשמלי נתקל בהתנגדות כלשהי ברוב החומרים שהוא זורם דרכם. יוצאים מהכלל הזה רק חומרים מוליכי-על שמוליכים זרם חשמלי ללא התנגדות. חומרים אלה, שמגלים את תכונתמוליכות-העל שלהם כאשר הם מקוררים לטמפרטורות נמוכות מאוד, עשויים לשמש בין היתר להולכת זרם חשמלי למרחקים גדולים, וכן לפיתוחים טכנולוגיים שונים בתחומי התעשייה והתחבורה. חלק ניכר מהפיתוחים האלה מבוססים על חשיפה מבוקרת של מוליך-העל לשדות מגנטיים, ועל האופן שבו השדות המגנטיים האלה חודרים אל מוליך-העל ומשפיעים על תכונותיו.

 

בעולם הגדול והחם (יחסית) של החומרים הרגילים, המתנגדים במידה זו או אחרת לזרימה של זרם חשמלי דרכם, עוצמת ההתנגדות גוברת ככל שהחוט המוליך נעשה דק יותר. בשלב מסוים, מעבר לדקיקות מסוימת, ההתנגדות היא כה גדולה, עד שלמעשה החוט מפסיק להוליך חשמל כלל. האם התכונה הזאת, המאפיינת את החומרים הרגילים, מתקיימת גם בעולמם הקר והייחודי של החומרים מוליכי-העל? זו השאלה שעמדה במרכז אחד ממחקריו האחרונים של ד"ר דן שחר מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע.

 

לשם כך היה עליו ליצור חוטים דקיקים של מוליכי-על, שיאלצו את האלקטרונים לנוע בשורה במסלול שהוא, מכל בחינה מעשית, חד-ממדי. כדי ליצור חוטים דקיקיםכאלה פנה ד"ר שחר לפרופ' רשף טנא, ראש המחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע. פרופ' טנא גילה שחומריםאי-אורגניים מסוימים (למשל, טונגסטן דו- גופריתי), יכולים, בתנאים מסוימים, להתארגן במבנים פולרניים, מעין ננו-כדורים רב-שכבתיים, או ננו-צינורות דקיקים. כמו הננו-צינורות הפחמניים הידועים, גם הננו-צינורות האי-אורגניים של פרופ' טנא בנויים מיריעות דקות, בעובי של מולקולה אחת, שמתגלגלים ויוצרים צינורות גליליים זעירים. המדענים, יחד עם תלמיד המחקר אנדריאס ג'והנסן, בנו התקן הבנוי כמעין גשר מיקרוסקופי העשוי ננו-צינור אי-אורגני,המתוח מעל למעין תלם זעיר החרוץ במשטח של מוליך למחצה. לצינור הזה הוסיפו שכבה של תחמוצת אינדיום, חומר שהופך למוליך-על בטמפרטורה של שלוש או ארבע מעלות קלווין. כך עלה בידם ליצור חוטים מוליכי-על בעובי של 25 50- ננומטרים בלבד (ננו-מטר הוא מיליארדית המטר).

 

באמצעות הננו-חוטים מוליכי-העל בחן ד"ר שחר את השפעתם של שדות מגנטיים על הזרם החשמלי שזרם במסלול חד-ממדי.להפתעתו, התגלה לו שבהשפעת שדות מגנטיים מופיעות תנודות מחזוריות בזרם החשמלי. משמעות הדבר היא, שהננו-חוטים מוליכי-העל הופכים במצבים אלה להתקן ממת"ק (מוליך-על המבוסס על התאבכות קוונטית). התקנים כאלה מסוגלים למדוד ולזהות שדות מגנטיים זעירים, פי מיליונים יותר חלשים מהשדה שיוצר המגנט בדלת המקרר. כך, למשל, הם עשויים לשמש למדידת פעילות מגנטית במוחות של עכברים, או לגילוי ומדידה של חלקיקי חומר בודדים. חברת "ידע", העוסקת בקידום יישומים תעשייתיים המבוססים על המצאותיהם ותגליותיהם של מדעני מכון ויצמן, כבר הגישה בקשה לרישום פטנט על השיטה המקורית לייצור ננו-חוטים של מוליכי-על.