במאמר שהתפרסם היום בכתב העת Nature Communications מדווח כי קבוצה בינלאומית של מדענים הצליחה לראשונה "לצלם" את ההתנהגות המגנטית של על מוליכים בסקאלה המיקרוסקופית, ולחשוף את הדינמיקה המורכבת של ה"מערבולות" המופיעות בחומרים אלה.
הצילום נעשה באמצעות מיקרוסקופ חדשני שפותח במעבדתו של פרופ' אלי זלדוב, המאפשר להתבונן באופן ישיר בתופעות מגנטיות שהיו מחוץ להישג ידינו עד עתה. דימות מגנטי באיכות חסרת תקדים המשלבת רגישות גבוהה ביותר עם רזולוציה של כמה עשרות ננומטרים בלבד מתאפשרת באמצעות החיישן המגנטי הקטן ביותר בעולם מסוג SQUID (שגודלו כמה עשרות ננו-מטרים בלבד) הממוקם בקצה מחט.
מאת ד"ר ליאור אמבון, ידיד הדף וממחברי המאמר
על מוליכות היא תופעה מרתקת, במסגרתה חומרים מסויימים עוברים, בטמפרטורה נמוכה דיה, ל"מצב צבירה" שבו זרם חשמלי יכול לזרום דרכם ללא איבוד אנרגיה כלל, כלומר עם אפס התנגדות חשמלית (לסדרת פוסטים שלנו בנושא, ראו תגובות). גילויה של התופעה, לפני למעלה ממאה שנה, הצית את דמיונם של רבים, אשר ראו בעיני רוחם פיתוחים טכנולוגיים מהפכניים להעברת חשמל יעילה, אלקטרוניקה מהירה יותר, יצירת שדות מגנטיים חזקים ועוד.
התקדמות טכנולוגית זו הוגבלה על ידי הצורך בטמפרטורה נמוכה מאד הדרושה לקיום על מוליכות, רק כמה מעלות מעל לאפס המוחלט. ב-1986 התגלתה התרכובת הראשונה שמפגינה על מוליכות בטמפרטורה הגבוהה מזו של חנקן נוזלי. זו טמפרטורה שקל וזול להגיע אליה גם מחוץ לכותליהן של מעבדות מחקר מתקדמות. שוב ניצתו הדמיונות, אך מיד נתקלו במכשול נוסף מהצד הפחות מוכר של העל מוליכות – ההתנהגות המגנטית.
כאשר על מוליכים מסוג זה נחשפים לשדה מגנטי, מעבר השדה דרך החומר לא קורה באופן אחיד כמו בחומר "רגיל", אלא בצורה של "מערבולות" (בלעז, vortex). המערבולות הן קווי שדה שחודרים דרך החומר מצד אל צד כמו חוט תפירה דרך בד. הן קיבלו את שמן מהזרם החשמלי שמסתובב סביב אותם קווי שדה בתוך העל מוליך בדומה למערבולות מים. המערבולות הן מנות (קוונטות) קבועות של שטף מגנטי אשר להן מיקום מוגדר. כאשר עובר בחומר זרם חשמלי, מופעל כח, המוכר ככח לורנץ, על המערבולות שעשוי לגרום להן לנוע. תנועה של מערבולות גורמת לאיבוד אנרגיה, ולכן להופעה של התנגדות חשמלית בעל מוליך. תהליך זה מגביל את כמות הזרם שניתן להזרים דרך על מוליך ואת השדה המגנטי שניתן לחשוף אותו אליו, והופך את השימוש בחומר לבעייתי.
השאלה באילו תנאים ינועו המערבולות ובאילו לא הפכה איפוא לנושא מחקר חשוב, אך עד עתה היכולת לחקור את התנהגותן של מערבולות בתנועה הייתה מוגבלת - בעיקר על רקע העדר כלים ניסיוניים מתאימים.

התנהגות המערבולות בזרמים הולכים וגוברים (משמאל לימין)

בעבודה זו, שנעשתה בהובלתו של פרופ' אלי זלדוב ממכון וייצמן למדע יחד עם ד"ר יהונתן אנהורי מהאוניברסיטה העברית וכותב הפוסט, התמקדו החוקרים בשכבה דקה של על מוליך אשר עוצבה לצורה של רצועה צרה עם היצרות במרכזה (בדומה לצורת שעון חול), והתבוננו בהתנהגותן של המערבולות בתוכה בשדה מגנטי ובזרם משתנים. בתמונות המוצגות לראשונה נחשפת הדינמיקה של המערבולות בעל מוליך עם הגדלת הזרם החשמלי, קרי הכח הפועל עליהן (ראו תמונות בתגובות). בהיעדר זרם, המערבולות נייחות. עם הפעלת זרם נמוך, חלק מהמערבולות נדחפות ומשנות את מיקומן אך נותרות נייחות, ורק כשהזרם גבוה דיו מתחילה זרימה מצד אל צד. מסלולן של המערבולות נראה כקו מרוח, מאותה סיבה שעצם הנע במהירות ייראה מרוח ומטושטש בצילום. כאשר הזרם מתגבר, נוצרים ענפים נוספים ופיצולים במסלול הזרימה.
מניתוח כמותי של תמונות אלו עולה, כי המערבולות נעות מצד אל צד דרך החומר בקצבים בתחום ה-GHz ובמהירויות המגיעות ל-72,000 קמ"ש, מהר יותר ממהירות הקול בחומר ומספיק על מנת להקיף את כדור הארץ בקצת יותר מחצי שעה. מהירויות כאלה נחשבו, עד עתה, כבלתי אפשריות עבור מערבולות, כיוון שאלו גבוהות עד פי 50 ממהירות הזרם המקסימלית שהעל מוליכות מסוגלת לקיים. גם צורת הזרימה הפתיעה את החוקרים. מערבולות בעל מוליכים דוחות זו את זו ונוטות, לכן, להיות במרחק הגדול ביותר האפשרי אחת מן השנייה. אולם, התמונות מראות בבירור כי המערבולות דווקא נצמדות ונעות זו אחר זו בטור כמו במן נהר ההולך ומתפצל עם ההתקדמות אל עבר השפך.
תוך שיתוף פעולה עם קבוצות תאורטיות מבלגיה וארה"ב, הסבירו החוקרים כי כאשר מערבולת נעה ממקום למקום, היא גורמת לחימום מקומי של המסלול ומשאירה מעין שובל חם המושך אליו את המערבולות שאחריה, וכך נוצרת תנועה בטור. הדחייה בין המערבולות היא זו שגורמת לפיצולים במסלול - לאחר כניסה מהירה של המערבולות אל החומר הן מאטות. כאשר המהירות נמוכה דיה, גובר כח הדחייה הטבעי על כח המשיכה של השובל החם והמערבולות מתרחקות אחת מן השנייה ופונות לכיוונים שונים. עוד עולה מסימולציות נומריות שערכו החוקרים, כי בעזרת תכנון קפדני של צורת ההתקן העל מוליך וסילוק חום יעיל יותר, ניתן יהיה להגיע גם לתנועת מערבולות בתדרי THz. ייצור אות בתדרים אלו הוא תחום בעל פוטנציאל טכנולוגי רב אשר נמצא כיום מחוץ להישג ידינו.
שיטת המיקרוסקופיה החדשה פתחה, אם כן, צהר אל תופעה שהייתה עד כה נסתרת - דינמיקה של מערבולות מהירות - שהבנתה תסייע בייצור מוליכי על שיכולים לשאת זרמים חשמליים ושדות מגנטיים גבוהים יותר.
לקריאה נוספת:

• קישור למאמר
• שיטת המיקרוסקופיה

לקריאת סדרת מוליכות העל בעמוד הפייסבוק של מדע גדול, בקטנה: פרק 1, פרק 2, פרק 3