מוליכות על

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

מוליכות־על היא "מצב צבירה" או פאזה של חומר במצב מוצק, בו מתקיימות תכונות של התנגדות חשמלית אפס, ודיאמגנטיות מושלמת.

[עריכה] תיאור התופעה

מוליכות־על היא יכולת של חומרים מסוימים להעביר זרם חשמלי ללא כל התנגדות ועם שינוי החומר במידה מועטה מאוד. תכונה זו יכולה להיות שימושית במכשירים חשמליים כמו מנועים וגנרטורים ובקווי־מתח חשמלי. לדוגמה, על־מוליכים יכולים לשאת כמות גדולה פי 100 של זרם בהשוואה לכבלי נחושת ואלומיניום רגילים באותו גודל. הדבר נובע מכך שההתנגדות שלהם אפסית- מתח קטן יגרום לזרם גדול מאוד, על פי חוק אוהם- I = V / R.

תכונות חשובות של מוליכות העל היא, כאמור, התנגדות אפסית, אך גם דיאמגנטיות מושלמת - קווי שדה מגנטי נדחים מתוך מוליך העל, כך שבתוך העל מוליך השדה המגנטי הוא אפס. (עד כדי גודל אופייני מסוים, הקרוי "אורך החדירה של לונדון", בו צונח השדה בצורה אקספוננציאלית). תופעה זו נקראת גם "אפקט מייסנר".

מדענים נמשכו לתופעת מוליכות־העל מאז גילויה בשנת 1911 על ידי קמרלינג אונס (Onnes), אך הטמפרטורות הנמוכות הקרובות לאפס המוחלט שדרשה התופעה היוו מחסום לשימושים זולים ומעשיים שלה. הדברים השתנו בשנת 1986, כאשר התגלה שמחלקה קרמית של על־מוליכים הופכת לעל־מוליכים בטמפרטורות יותר גבוהות. מדע על־המוליכות בטמפרטורות גבוהות (HTS, ר"ת, High-Temperature Superconductivity) נולד, ויחד עמו עצם קיומה של טכנולוגיה אלגנטית שמבטיחה "על־שינוי" בדרך שבה מייצרים, מעבירים ומשתמשים באנרגיה. אולם עדיין, לא נמצאו מוליכי על בטמפרטורת החדר.

מוליכי העל מתחלקים לשני סוגים, באופן שנחזה לראשונה על ידי אבריסקוב. הסוג הראשון, המכונה "מוליכי על מסוג ראשון", (type I) מתנהג בצורה שתוארה למעלה: קווי שדה מגנטי נדחים באופן מלא מתוך העל מוליך, על פי אפקט מייסנר. לחומרים אלו שדה מגנטי קריטי, אשר מעליו הם מאבדים את תכונותיהם ה"על מוליכיות", בדומה לטמפ' הקריטית (למעשה, יש תלות בין הטמפ' הקריטית לשדה הקריטי, כך שמתקבל גרף של אזור בו החומר במצב על מוליך מתחת לטמפ' והשדה הקריטיים המתאימים, ובמצב נורמלי מעליהם). הסוג השני נקרא "מוליכי על מסוג שני" (type II), ועבורו קיימים 2 שדות קריטיים. מתחת לראשון, החומר מתנהג כמוליך על מסוג ראשון לכל דבר. מעל לשדה הקריטי השני, מתחילה חדירה של שדות מגנטיים לתוך החומר, דרך אזורים הקרויים "מערבולות". חדירה זו מקוונטטת, כלומר מתקיימת במנות קבועות של שטף שדה דרך שטח החתך של המערבולת. במצב זה, החומר כבר אינו דיאמגנט מושלם, אך הוא עדיין בעל מוליכות מושלמת. מעל לשדה קריטי נוסף, מאבד החומר את כל תכונות העל מוליך. לחומר טמפ' קריטית אחת, אשר מעליה הוא מאבד את כל תכונותיו הקשורות בהולכת העל.

השדה הקריטי של מוליכי על מסוג ראשון, וכן של השדה הראשון של מוליכי על מסוג שני, הוא נמוך יחסית - סדר גודל של 100-1000 גאוס. לעומת זאת, השדה הקריטי השני של מוליכי על מסוג שני גבוה בהרבה, עד כדי 2-3 סדרי גודל, כלומר, מספר אלפי קילו-גאוס. מסיבה זו, משתמשים בדרך כלל במוליכי על מסוג שני על מנת ליצור שדות מגנטיים חזקים מאוד, למשל ב-MRI, וזאת מאחר והם יכולים להפיק אותם על ידי זרמים חזקים מאוד שיזרמו דרכם, וזאת מבלי להשקיע אנרגיה גבוהה במיוחד ביצירת הזרמים.

[עריכה] הסבר לתופעה

בשנת 1956 התפרסמה תאוריית BCS, שתיארה את הולכת העל ה"ישנה" בצורה מלאה ומקיפה. לפי התאוריה, הולכת העל מתבצעת על ידי צמדי אלקטרונים, המכונים "צמדי קופר" (Cooper pairs), אשר אינם מבצעים אינטראקציה עם החומר ונעים ללא הפרעה. האלקטרונים נמשכים זה לזה ויוצרים זוג קשור באמצעות חילופי פונונים. האינטראקציה המשיכתית של חילופי הפונונים יכולה להתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית (חוק קולון) בטמפרטורות נמוכות מספיק. כך, בטמפרטורות נמוכות אנו מקבלים הרבה זוגות אלקטרונים, שמתנהגים כמו בוזונים (פרמיון+פרמיון=בוזון) ועל כן הם יכולים לבצע עיבוי בוזה-איינשטיין ולהתנהג כמו על נוזל, דבר המבטיח הולכה ללא התנגדות.

התאוריה החזיקה מעמד עד שנת 1986, בה נתגלו לראשונה מוליכי על בטמפ' גבוהה מזו שצופה BCS כגבול העליון להולכת על. BCS עדיין מתאימה למוליכי העל בטמפרטורות הנמוכות, המכונים "BCS superconductors", אבל היא לא מצליחה להסביר את ה-HTS.

נכון להיום, עדיין לא קיימת תאוריה המסבירה בצורה מלאה את העל מוליכות החדשה. ניסויים שנעשים במוליכי העל נותנים כיוון לתאוריה שהולכת ונבנית בימים אלו ומדברת על האינטראקציה שיוצרת את זוגות קופר של ההולכה החדשה (מה שנקרא d-wave, פער אנרגיה בעל צומת- מתאפס בכיוונים מסוימים), אך לא ידוע למה האינטראקציה מתרחשת. (עבור BCS ידוע כי האינטראקציה היא אינטראקציית פונונים).