מינימום אנרגיה, אפס התנגדות

מדעני המכון הראו באחרונה שבניסוי שביצעו מדענים בגרמניה, נוצרה מוליכות-על מסוג שונה וחדש היכולה להתקיים בטמפרטורת החדר. במקרה זה אין מדובר בזרימת-על של אלקטרונים, אלא בזו של "מגנונים" - גלים של ספין (תכונת הסיחרור של האלקטרונים). 

מוליך-על בטמפרטורת החדר מונח בבסיס ההונאה המורכבת המתוארת בסדרת הטלוויזיה הדנית "בעקבות הכסף" (2016). טכנולוגיה נחשקת זו מתוארת גם ב"עולם הטבעת" של לארי ניבן, שם היא מוצגת כמאפיין הבולט של תרבות זרה, מתקדמת בהרבה לעומת המין האנושי.

מוליך-על מאפשר הולכת חשמל למרחקים גדולים, ללא התנגדות וללא הפסדים, דבר שעשוי להקנות יתרון טכנולוגי גדול, ויש לו משמעות כלכלית אדירה. הבעיה היא, שמוליכי-על המוּכרים לנו כיום פועלים רק בטמפרטורות נמוכות מאוד: כמה עשרות מעלות מעל לאפס המוחלט. בטמפרטורות כאלה, בחומרים מסוימים, אלקטרונים מצטוותים בזוגות אשר נעים בחומר המוליך ללא התנגדות ("זוגות קופר"). כאשר תופעה זו מתחוללת  בהליום, הוא הופך  לנוזל-על שחלקיקיו זורמים ללא צמיגות. אפשר לתאר את התופעות האלה כ"עיבוי בוז-איינשטיין": זוגות האלקטרונים או אטומי ההליום מתנהגים כחלקיקים נושאי כוח, הקרויים בוזונים, ובטמפרטורות נמוכות אלו מתקיימת בהם רמת אנרגיה קולקטיבית-בדידה.

פרופ' בורקרד הילברנדס וחברי קבוצתו באוניברסיטת קייזרסלאוטרן, גרמניה, בשיתוף עם פרופ' ויקטור לבוב ומדענית הסגל אנה פומיאלוב מהפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, הראו באחרונה כי מוליכות-על מסוג שונה וחדש יכולה להתקיים בטמפרטורת החדר. במקרה זה אין מדובר בזרימת-על של אלקטרונים, אלא בזו של "מגנונים" - גלים של ספין (תכונת הסיחרור של האלקטרונים). מוליכות-על זו עשויה להוות, בעתיד, בין היתר, בסיס לסוגים חדשים של טכנולוגיות מידע.

"הקבוצה בגרמניה ביצעה ניסוי יפהפה", אומר פרופ' לבוב. "הם יצרו סרט דק מאוד של חומר מגנטי נפלא, איטריום-ברזל-גארנט, הישרו בו שדה מגנטי, ובאמצעות קרן לייזר חיממו מעט נקודה קטנה על פניו". תצפיות במערכת זו, שבוצעו באמצעות ספקטרוסקופיית פיזור-אור, העלו השערה, שבמערכת נוצר סוג ייחודי של עיבוי בוז-איינשטיין בטמפרטורת החדר. אבל המדענים, באופן טבעי, לא היו בטוחים שזה באמת מה שקרה. כאן נכנסו לתמונה פרופ' לבוב וד"ר פומיאלוב ממכון ויצמן למדע. חישוביהם, והכלים האנליטיים שלהם, שימשו כבסיס התיאורטי, ואיפשרו להוכיח את ההתפתחות המפתיעה הזאת.

איטריום-ברזל-גארנט, או YIG, הוא חומר בעל ארגון מגנטי; כלומר, הספינים של האלקטרונים שלו מתואמים. אבל המדענים התעניינו בעיקר בתכונה אחרת שלו: הוא יכול לשמש ליצירת עיבוי בוז-איינשטיין של "מגנונים" בטמפרטורת החדר. כלומר, אפשר להביאו למצב שכל החלקיקים האלה נמצאים ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית. כאשר זה קורה, כל החלקיקים מתחילים "להמהם" יחד, ותופעות קוונטיות, אשר מוגבלות בדרך כלל לחלקיקים יחידים, מתחילות להופיע במערכת הגדולה.

"עיבוי בוז-איינשטיין בטמפרטורת חדר הוא תופעה יוצאת דופן למדי", אומרת מדענית הסגל אנה פומיאלוב. "מצבים כאלה נוצרים בדרך כלל בגזים מדוללים עם מספר מוגבל של אטומים שמקוררים לטמפרטורות נמוכות. עיבוי הבוז-איינשטיין שנוצר בדרך זו בסרט ה-YIG הדק כלל גלי ספין - תנודות בכיווני הספין של האלקטרונים. כדי להבין מה באמת קרה בתוך החומר, אפשר לדמיין גלים, הקרויים 'מגנונים', אשר נעים בתיאום מושלם. אלה גלים שיוצרים הספינים (תכונה שאפשר לתארה גם כמעין תקיפת סיחרור) של האלקטרונים בחומר שממנו עשוי הסרט הדק".

 אפשר לתאר את המגנונים גם כמעין חלקיקים מדומים, שהם בעלי מספר מאפיינים של חלקיקים אמיתיים. למשל, הם יכולים לזרום כמו זרם חשמלי, אולם הם אינם עצמאיים כמו חלקיקים אמיתיים, אלא נוצרים עקב פעילות משותפת ומתואמת של האלקטרונים בחומר, ותלויים בפעילות זו.

המדענים שבחנו את מערכת הניסוי הבחינו במה שנראה כמו מוליכות-על של מגנונים הזורמים בחופשיות. מוליכות-על זו התקיימה בקטע של סרט החומר ששטחו כמה עשרות מיקרונים רבועים – שטח גדול בהשוואה לְמה שמקובל בסוג זה של ניסויים.

כאמור, במחקר זה עבדו פרופ' לבוב וד"ר פומיאלוב עם המדענים הגרמניים כדי להגיע להוכחה שהמגנונים אכן פועלים כמוליך-על בטמפרטורת החדר. כעת הם ממשיכים לעבוד יחד במטרה להבין טוב יותר את התופעה, ולפתוח פתח ליישומים אפשריים.