לכל סיפור טוב יש שורשים עמוקים ועתיד מזהיר. במקרה זה, העתיד המזהיר (הבדיוני) מתואר בספר "עולם הטבעת" של הסופר זוכה פרס "הוגו", לארי ניבן. עולם הטבעת בנוי על-פי רעיון של הפיסיקאי פרימן דייסון, שטען כי הדרך לגלות תרבויות תבוניות ביקום היא באמצעות חיפוש אחר "כדורי ענק שהן יקימו סביב השמשות שלהן (במקום לחפש כוכבי-לכת שהם מעטים יחסית ושטחם קטן)". גיבוריו של ניבן תרים את עולם הטבעת, ובין היתר הם מגלים בו, באיזור המגורים של בוני הטבעת (שנעלמו), מתקנים שונים המבוססים על חומרים מוליכי-על שפועלים בטמפרטורת החדר. החומרים האלה, מסביר ניבן, הם ההוכחה הבולטת לרמתם המדעית העילאית של בוני הטבעת. שורשיו של הסיפור מעמיקים עד שנת 1911, בה גילה הייקה קמרלינג אונס את תופעת מוליכות-העל (עבודה אחרת שלו זיכתה אותו, מאוחר יותר, בפרס נובל בפיסיקה).

 

מוליכות-על מתבטאת בהיעדרה המוחלט של התנגדות למעבר זרם חשמלי בחומר. היישומים האפשריים של מוליכי-על נעים בין העברת אנרגיה חשמלית למרחק רב ללא הפסדים, ועד לרכבות המרחפות מעל לפסים, ללא חיכוך, מה שמאפשר תנועה מהירה תוך צריכת דלק מופחתת (יישום זה מבוסס על העובדה, שמוליכי-על דוחים שדות מגנטיים). הבעיה היא, שמוליכות-על מתחוללת בטמפרטורות נמוכות מאוד – קרוב לאפס המוחלט. לפני כ-30 שנה התגלו מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות יחסית: מינוס 137 מעלות צלסיוס "בלבד". אבל כל הניסיונות לשפר את התוצאה הזאת לא עלו יפה.

 

מדוע "מתקלקלת" מוליכות-העל כאשר מחממים את החומר מעל למינוס 137 מעלות? איש אינו יודע. למעשה, איננו מבינים את הסיבות ואת המנגנונים שיוצרים את מוליכות-העל בטמפרטורות גבוהות יחסית. המדענים סבורים, שהבנת הסיבות לכך תקדם את היכולת לפתח מוליכי-על שיפעלו בטמפרטורות גבוהות יותר, מה שאולי יאפשר יישומים פשוטים יותר של מוליכי-על.

 

בניסיונותיהם להבין את מקורותיה של מוליכות-העל, החלו פרופ' דן שחר ותלמיד המחקר מעוז עובדיה, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, "לקלקל" מוליכי-על, במטרה לגלות את הנקודה המדויקת שבה הם מאבדים את התכונה הזאת. אם יבינו מה גורם לאיבוד התכונה, ייתכן שיגבשו תובנות חדשות ביחס לגורמים להופעת מוליכות-העל.

 

יש דרכים שונות לקלקל מוליך-על. אחת מהן מבוססת על הריסתם של חלקיקים מיוחדים הקיימים במוליכי-על, אשר מכונים "צמדי קופר". הם מורכבים מצמדים של אלקטרונים היוצרים יחד מעין חלקיק אחד, וכאשר הורסים את "צמדי קופר", מאבד מוליך-העל את תכונת מוליכות-העל.

 

דרך אחרת מבוססת על "מערכת היחסים המיוחדת" הקיימת בין מוליכי-על לבין שדות מגנטיים החודרים לתוכם כמעין מערבולות זרם זעירות, שכל אחת מהן מכילה במרכזה שטף מגנטי חלש. בתנאים אופטימליים מתארגנות המערבולות האלה במרחקים שווים זו מזו, בתצורה המזכירה את סידור המולקולות בגביש מוצק. עם זאת, בתנאים מסוימים עשויה להתחולל "המסה" של ה"גביש", כך שהמערבולות יעברו למצב של אי-סדר, המזכיר את מבנה החומר כשהוא נוזל. כאשר המערבולות נעשות "נוזליות" ומתחילות "לזרום" – מאבד מוליך-העל את תכונת המוליכות. אפשר "לקלקל" מוליך-על גם כאשר מכניסים לתוכו זיהומים שונים, וגם כאשר מחממים אותו. אבל פרופ' שחר ומעוז עובדיה בחרו לעשות זאת באמצעות הפעלה של שדה מגנטי חזק. הם שינו באיטיות את עוצמת השדה המגנטי ואת הטמפרטורה, וגילו שבשילוב מסוים, החומר מאבד לחלוטין את היכולת להוליך זרם חשמלי. במילים אחרות, הם גילו את קיומה של תופעה שאפשר לכנותה "בידוד-על". בשלב זה מדובר בתכונה המתקיימת בטמפרטורות נמוכות מאוד, קרוב לאפס המוחלט, אבל אם תימצא דרך ליצור מבודדי-על שיפעלו בטמפרטורת החדר, אפשר יהיה להשתמש בהם, בין היתר, לייצור טרנזיסטורים שאינם מאבדים חשמל, וכן סוללות ומצברים חשמליים שיפעלו זמן רב בהרבה בהשוואה לאלה העומדים לרשותנו כיום.

 

במחקר שביצעו המדענים באחרונה, ואשר התפרסם בכתב-העת המדעי Nature Physics, הם דיווחו, כי ההבדל בין מצב של מוליך-על למצב של מבודד-על קטן למדי, וכי המעבר ביניהם מהיר. מדובר בסוג של דמיון וקירבה בין הפכים אשר מזכיר, אולי, את הקירבה הידועה בין אהבה לשנאה.

 

מה פשר הקירבה הזאת? המדענים החלו להפעיל באיטיות שדה מגנטי על מוליך-על ועל מבודד-על. כך גילו, שבנקודה מסוימת מתקיים שוויון בין מידת המוליכות החשמלית של מבודד לבין מידת הבידוד של מוליך.

 

במצב מוליך-על, המערבולות המגנטיות נעולות, ואילו "צמדי הקופר" זורמים. במצב מבודד, המצב הפוך: "צמדי הקופר" מאורגנים ונעולים, ואילו המערבולות המגנטיות זורמות. אבל המדענים גילו, שבנקודה שבה מתקיים השוויון בין המוליכות של המבודד לבין מידת הבידוד של המוליך, מתקיימת סימטריה מסוימת ב"זוגיות המוזרה" שבין "צמדי הקופר" לבין המערבולות המגנטיות. הבנת הסימטריה, או התלות הזאת, כך מקווים המדענים, עשויה לחשוף, באחד ממחקריהם הבאים, תכונה עמוקה של תופעת מוליכות-העל, ואולי של בידוד-העל.

 

הקושי העיקרי בפיתוח יישומים של מוליכות-על נובע מהעובדה שהתופעה הזאת מתחוללת בטמפרטורות נמוכות מאוד. מוליך-העל הראשון התגלה בטמפרטורה של ארבע מעלות קלווין (מינוס 269 מעלות צלסיוס). שביב תקווה משמעותי בתחום זה הגיע, כאשר בשנות ה-80 התגלו מוליכי-על קרמיים, שפועלים בטמפרטורה גבוהה (יחסית): מינוס 181 מעלות צלסיוס, ולאחר מכן אפילו מינוס 137 מעלות צלסיוס "בלבד". 

 

התקדמות המחקר בתחום זה הואטה משמעותית, מכיוון שאיש עדיין אינו מבין את הסיבות ואת המנגנונים שמביאים להופעת תופעת מוליכות-העל בטמפרטורות גבוהות יחסית. תיאוריה מקובלת מייחסת את התופעה להופעה של חלקיקים מיוחדים המכונים "צמדי קופר", המורכבים מצמדים של אלקטרונים אשר יוצרים יחד מעין חלקיק אחד, המתפקד כחלקיק נושא כוח (בוזון). בוזונים (בניגוד לאלקטרונים בודדים, שהם פרמיונים – חלקיקי חומר), יכולים לעבור סוג מסוים של עיבוי. העיבוי הזה הוא היוצר את תופעת מוליכות-העל.

 

כאן עולה השאלה: כיצד שני אלקטרונים, הנושאים מטענים חשמליים שליליים, ולכן דוחים זה את זה, מצליחים להיצמד עד כדי כך שהם יוצרים יחד גוף שמתפקד כחלקיק אחד? כאן צריך לזכור, שמדובר באלקטרונים הנעים במוליך מתכתי. כל אלקטרון בנפרד נמשך אל יוני המתכת החיוביים של המוליך. כוח משיכה זה מאלץ שני אלקטרונים שנצמדים אליו להיצמד זה לזה.

 

אבל ההסבר הזה מתאים להיווצרות של מוליך-על בטמפרטורה נמוכה. כיצד, אם כן, נוצרים מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה? מתברר, שהמעבר של חומר מוליך למצב מוליך-על מתחולל בקרבת ה"איזור" שבו החומר עובר ("מעבר פאזה") למופע אנטי-פרומגנטי, שבו הספינים של החלקיקים מסודרים במעין מבנה מרחבי מורכב, כאשר סכום הספינים, בממוצע, הוא אפס.

 

 שינויים קטנים יחסית בטמפרטורה או בלחץ של מוליך-על בטמפרטורה גבוהה יכולים להפוך את החומר ממוליך-על לאנטי-פרומגנט. הקירבה בין שני המופעים מרמזת, שקיים קשר מסוים בין תופעת מוליכות-העל לבין תופעת האנטי- פרומגנטיות. אבל המהות העמוקהשל הקשר הזה עדיין מהווה תעלומה.

 

אחת מהשאלות הפתוחות המשמעותיות בתחום זה היא: כיצד מופיעה התבנית של הספינים של האלקטרונים שמאפשרת היווצרות "זוגות קופר" בחומר אנטי-פרומגנטי? ניסיונות להבין את התופעה נתקלים בבעיה המוכרת בשם "בעיית הסימן", המופיעה במספר רב של בעיות במכניקה הקוונטית. ההסתברות של תהליכים פיסיקליים (כמו למשל תנועה של חלקיק בין שתי נקודות מסוימות במרחב) נתונה באמצעות סכימה של כל המסלולים בהם יכול תהליך זה להתבצע, כאשר לכל תהליך מצמידים מספר מרוכב. בבעיות בהן מעורבים חלקיקים רבים מאוד, כמו תנועת האלקטרונים במתכת, מספר המסלולים האפשריים לכל תהליך הוא אדיר. ישנן שיטות מתמטיות המאפשרות להעריך סכומים כאלה באמצעות הגרלת מספר קטן של מסלולים "מייצגים", שסכומם מאפשר להעריך את הסכום כולו. שיטה זו מכונה "שיטת מונטה קרלו", על-שם העיר שרבים בה בתי ההימורים. אולם, כאשר הסכום כולל מספרים חיוביים ושליליים שמסתכמים למספר קרוב לאפס, שיטת מונטה קרלו נכשלת, מכיוון שכל שגיאה קטנה בהערכת הסכום גורמת שגיאה גדולה – בסימן החיובי או השלילי - בתוצאה הסופית (הקרובה ממילא לאפס).

 

ד"ר ארז ברג, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, פיתח מודל שמאפשר למצוא פתרון למקרה הפרטי של מעבר מתכת למצב אנטי-פרומגנטי (שבקירבתו מתחולל גם המעבר למצב מוליך-על). המודל מתמודד בהצלחה עם "בעיית הסימן" בכך שהוא מבטיח שכל איברי הסכום על מסלולי החלקיקים הם חיוביים. כך נותרת הבעיה של סיכום כמות גדולה מאוד של מספרים חיוביים ללא "בעיית הסימן". על כמות המספרים הזאת מפעילים המדענים את "שיטת מונטה קרלו", וכך מגיעים לסיכום המבוקש.

 

ניסויים ממוחשבים שבוצעו תוך שימוש במודל הזה, העלו תוצאות שמתאימות לתופעות פיסיקליות ידועות שונות. בעתיד מקווה ד"ר ברג לתכנן ניסויים מעבדתיים שיבחנו את המודל במציאות. 

 

ארז ברג נולד בחיפה. כילד, השתתף באולימפיאדה הבין-לאומית לפיסיקה, וחזר ממנה עם מדליית כסף. אחרי השירות הצבאי למד בתוכנית למצטיינים של הטכניון, כתב דוקטורט באוניברסיטת  סטנפורד, וביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת הרווארד. בשנת 2011 הצטרף לסגל המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע. הוא נשוי לבר, דוקטורנטית במדעי המחשב באוניברסיטת בר-אילן. בשעותיו הפנויות תמצאו אותו, בין השאר בחדר הכושר ובקולנוע "חן".