מוליכות על חלק א' – גילוי התופעה
01/02/2018
בפוסט עבר [1] הצגנו את השיטה המקובלת לניזול גזים כמו אלו המרכיבים את האוויר סביבנו. המרכיב העיקרי של האוויר, החנקן, מתנזל בטמפרטורה של מינוס 196 מעלות צלסיוס, כלומר 77 מעלות מעל לאפס המוחלט (77 קלווין). בטמפרטורה זו חנקן הופך מגז לנוזל (או מנוזל לגז, תלוי אם מחממים או מקררים). בעקבות הפוסט קיבלנו תגובות עם שאלה חוזרת – האם ניתן להגיע קרוב יותר לאפס המוחלט מ-77 קלווין? והתשובה היא כן! ומי שעשה את הצעד הענק הזה הביא לתגלית מדעית חשובה.
בשנת 1913, הוענק פרס נובל לפיזיקאי ההולנדי הייקה קמרלינג אונס (Onnes) על מחקרו בנושא תכונות החומר בטמפרטורות נמוכות, ובפרט – ניזול של הליום [2]. אונס אמנם "ניצח" את סר ג'יימס דיואר במירוץ לניזול ההליום [3], אך עד היום לכלים שבהם מחזיקים את ההליום, שהם סוג של תרמוסים ענקיים, קוראים "דיואר", על שמו.
על מנת שאפשר יהיה לנזל הליום יש צורך בקירור מקדים על ידי חנקן נוזלי, ובהפעלת לחצים גבוהים מאוד. כל אלו הופכים את ההישג הטכנולוגי של אונס למרשים במיוחד, קל וחומר כאשר כל הכלים היו עשויים מזכוכית (שביר!) ולא ממתכת, כפי שאנחנו רגילים היום.
האם זה שווה נובל? כמה מתקרבים לאפס המוחלט? ובכן, הטמפרטורה של הליום נוזלי בלחץ אטמוספרי היא 4 קלווין [4]. רק ארבע מעלות מעל לאפס המוחלט (ואם מורידים את הלחץ, אפשר להגיע לפחות מ-2 מעלות). עכשיו אפשר לנצל את היכולת החדשה למחקר.
אחת השאלות הפתוחות שאפשר היה לענות עליהן בעקבות הניזול בשנת 1911, היא מה קורה למוליכות של מתכות כאשר מקררים אותן לאפס המוחלט (או לפחות קרוב לשם). תכונה ידועה של מתכות, שהייתה ידועה כבר אז, היא שכאשר מקררים אותן – מוליכותן החשמלית עולה. כאשר מקררים מתכת, עבור אותו המתח (אותה "סוללה") מקבלים זרם חשמלי גדול יותר. הסיבה לכך היא שלאטומים של המתכת יש פחות אנרגיה תרמית, ולכן הם נעים פחות. התנועה המופחתת של האטומים גורמת לכך שהאלקטרונים, שתנועתם יוצרת את הזרם החשמלי, זורמים בחופשיות רבה יותר ולא מתנגשים באטומים ומאבדים אנרגיה. ניתן, באופן ציורי, לחשוב על האלקטרונים כ"מתחככים" באטומים, מה שגורם להם לאבד את האנרגיה הקינטית שלהם לטובת חימום.
מה יקרה כאשר נקרר את המתכת לאפס המוחלט? כמו ברוב המקרים, יש שלוש אפשרויות שניתן לדמיין: יכול להיות שבשלב מסוים גם האלקטרונים יאבדו מהאנרגיה התרמית שלהם, והדבר יתורגם לחוסר באנרגיה קינטית – מה שיגרום למוליכות החשמלית לרדת. אפשר וככל שנקרר את האטומים, האלקטרונים לא יושפעו והמוליכות תעלה עוד ועוד. האפשרות השלישית היא כמובן שהמוליכות תגיע לערך מסוים, ותישאר בו – קבועה.
אונס ושותפיו בחרו לקרר כספית ולבדוק מה קורה. להפתעתם, כאשר הגיעו לטמפרטורה של 4.2 קלווין, ההתנגדות - שעד לנקודה זו ירדה באופן מתון - צנחה לפתע באופן חד מאוד לגבול התחתון של מה שאפשר היה למדוד [5], ומבחינתם – לאפס. בהתחלה ניסו המדענים לחפש מקור כלשהו לקצר חשמלי, שגורם לכך שהם לא באמת מודדים את מפל המתח ואת הזרם במקום הנכון, אבל משלא מצאו כזה לא נותר להם אלא לשמוח – התגלה מצב חדש של חומר! (ועל זה באמת מגיע פרס נובל...).
במצב החדש, שמתקבל כמעבר חד מפאזה אחת לאחרת כאשר מקררים את החומר מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת, החומר מציג התנגדות חשמלית אפס, ועל כן נקרא "מוליך על" (Superconductor).
בנוסף להתנגדות אפס, מוליכי על הם גם חומרים דיאמגנטיים מושלמים: הם דוחים כל שדה מגנטי שהוא. אולי זה נשמע לכם דומה לחוק פאראדיי, שאומר שמוליכים מתנגדים לשינוי בשטף המגנטי שעובר דרכם, אבל עבור מוליכי על ההתנגדות היא לא לשינוי, אלא לשדה עצמו: בתוך מוליך על, השדה המגנטי הוא אפס. ההתנגדות הזו, שנקראת גם "אפקט מייזנר", גורמת לתופעה המרתקת של "ריחוף קוונטי" [6].
בפוסט הבא נמשיך את סיפור הגילוי ונספר על שימושים למוליכי על.
להרחבה:
[1] - פוסט עבר בנושא
[2] - The Nobel Prize in Physics 1913
[3] - January 19, 1894: James Dewar produces solid air
[4] - helium phase diagram
[5] - Further experiments with Liquid Helium
[6] - Magnetic Levitation
עריכה לשונית: שלומי ג'מו
אלה נמצאת בעיצומו של פוסט-דוקטורט במעבדה לחומרים קוונטיים אשר במחלקה לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. במהלך הדוקטורט במכון וייצמן חקרה תכונות של חומרים מגנטיים בטמפרטורות נמוכות באמצעות מיקרוסקופ מגנטי שתוכנן ונבנה על ידה.
