מוליכות על חלק ב' – מה עכשיו?
01/02/2018
בפוסט הקודם תיארנו את הרקע ההיסטורי של גילוי תופעת מוליכות העל, ואת הניסוי שעשו קמרלינג אונס וקבוצתו שהביא לגילוי המפתיע ב-1911. מה קרה מאז?
במהלך השנים שעברו מאז 1911, התגלו עוד מוליכי על שלהם טמפרטורות קריטיות שונות: אלומיניום (1.2K), עופרת (7.2K), ניוביום (9.3K) ועוד. עם זאת לקח יותר מיובל עד שנמצאה התיאוריה שיכולה להסביר את הפיזיקה המעניינת שמאחורי התופעה.
התיאוריה נקראת BCS על שם שלושת הפיזיקאים שהגו אותה: .Bardeen ,Cooper ,Schrieffer תיאוריה זו משתמשת בתורת הקוונטים על מנת להסביר מה בדיוק קורה בחומר, והופכת את התופעה של מוליכות על להוכחה מאקרוסקופית לקיומה של תורת הקוונטים (שלרוב מתרחשת בקנה מידה מיקרוסקופי). בשנת 1972 קיבלו ברדין, קופר ושריפר פרס נובל על פיתוח התיאוריה [1], וברדין הפך לזוכה בפעם השניה לאחר זכייתו בשנת 1956 על המצאת הטרנזיסטור [2].
יעשה עוול לתיאוריית BCS אם ננסה לתאר אותה בכמה משפטים, ולכן אנחנו מתכננים פוסט שלם שמסביר את התיאוריה. בינתיים, תנו לנו לספר לכם על ההתקדמות ההיסטורית ומה עושים עם מוליכי על היום.
הגילוי המהיר של מוליכי על חדשים, יחד עם התיאוריה שמסבירה אותם בשנות השבעים של המאה הקודמת, גרם לרבים לפנטז על הזמן שבו כל חוטי החשמל יוחלפו בחוטי חשמל שאינם מאבדים אנרגיה חשמלית לחום [3]. דבר זה יכול לקרות רק כאשר ימצאו מוליכי על בטמפרטורת החדר, ואתם הרי יודעים שזה טרם קרה. למעשה, התחום של מוליכות על נכנס ל"תרדמת" של יותר מעשור, והתעורר רק בשנת 1986, כאשר על מוליכות התגלתה בחומרים שבכלל אינם מוליכים – חומרים קרמיים שכבתיים כמו La2BaCuO4 ו- YBa2Cu3O7 שהמשותף לכולם הוא שכבות הנחושת-חמצן [4].
מוליכות העל בחומרים החדשים אינה מוסברת על ידי תורת ,BCS ולמעשה עד היום נותרו שאלות פתוחות לגבי מוליכות על בחומרים הללו. מעבר להפתעה מכך שחומרים שאינם נחשבים מוליכים הופכים למוליכי על, הופתע העולם המדעי מהטמפרטורה הקריטית שלהם – הגבוהה ביותר שנראתה עד אז: 30 קלווין.
הגילוי החדש הביא לפעילות מחודשת בתחום שהניבה גילויים של מוליכי על בטמפרטורות של יותר מ-100 קלווין. 100 קלווין זו טמפרטורה מצוינת, בגלל שאפשר לקרר לטמפרטורה הזו בקלות תוך שימוש בחנקן נוזלי, שהרי חנקן נפוץ מאוד באוויר, וקל יותר לנזל אותו מאשר הליום.
היום, מוליכי על משמשים בכל מקום שבו צריך זרם חשמלי גבוה במיוחד – גם מכיוון שהיעילות גדלה כאשר לא מאבדים אנרגיה חשמלית לחום, וגם מכיוון שלעיתים החום הרב שנוצר מהזרם יכול להזיק למוליך עצמו (כמו למשל להתיך את הבידוד בין החוטים).
בין המכשירים שעלינו להודות למוליכי העל על קיומם הוא מכשיר ה MRI-לדימות רפואי, שהשדות המגנטיים החזקים שנחוצים בו אפשריים הודות לסליל שעשוי מחוטים מוליכי על, מאיץ החלקיקים של סרן (גם כאן, שדה מגנטי) וסוג מסויים של רכבות מרחפות (למשל ביפן [5]), שאחת מהן שברה את שיא המהירות הקרקעי הודות לנסיעתה על המסילה ללא חיכוך.
להרחבה:
[1] - The Nobel Prize in Physics 1972
[2] - The Nobel Prize in Physics 1956
[3] - http://ti.me/2kl5B37
[4] - High Temperature Superconductors
[5] - MAGLEV - The flying train
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.
