בקטנה
במחקר חדש גילה מועמד חדש לעל מוליך בטמפרטורה גבוהה, בעזרת שילוב שתי שכבות של גרפן, עליו כתבנו בעבר, המונחות זו על זו בזווית קטנה. תוצאה זו מרגשת במיוחד, מאחר והיא יכולה להיות הצעד הראשון בדרך למשפחה חדשה של טכנולוגיה המבוססת על על-מוליכים.
 
מאת יניב טננבאום-קטן
על מוליכים [1] הם חומרים המסוגלים להוליך חשמל ללא התנגדות חשמלית כלל. המשמעות היא אדירה - על מוליכים בטמפרטורת החדר יאפשרו לנו לייצר מחשבים בעלי יעילות חסרת תקדים. כבלים העשויים על מוליך אינם מתחממים, ומסוגלים להוליך באופן מושלם ללא איבוד אנרגיה. אם היינו מייצרים טבעת של חומר על מוליך ומעבירים בה זרם, הזרם היה ממשיך לזרום לעד.
המגבלה העיקרית בשימוש בעל מוליכים היא הטמפרטורה הנמוכה בה רובם הופכים לעל מוליכים. רוב העל מוליכים המוכרים לנו  מתנהגים כמוליך רגיל בטמפרטורות גבוהות (לדוגמה נחושת) והופכים לעל מוליך רק בטמפרטורה הקרובה מאוד לאפס המוחלט. פיתוח של על מוליכים בעלי טמפרטורת מעבר גבוהה יותר דורש הבנה תאורטית של המנגנון היוצר את העל מוליכות. התאוריה הנפוצה, תורת BCS [2] יודעת לתאר על מוליכים "פשוטים" יחסית. טמפרטורת המעבר הגבוהה ביותר לעל מוליכות שנצפתה בעל מוליך סטנדרטי היא כ-203 קלווין (כשבעים מעלות צלסיוס מתחת לאפס, בH2S) אולם טמפרטורה זו דורשת לחץ אדיר של 900,000 אטמוספרות! (לשם השוואה, הלחץ בקרקעית האוקיינוס העמוק ביותר הוא כ-1000 אטמוספרות).
 
אחת התקוות הגדולות ביותר לפיתוחם של על מוליכים בטמפרטורה גבוהה הם תרכובות נחושת המכונים קופרטים. על המוליך מסוג תרכובת נחושת בעל טמפרטורת המעבר הגבוהה ביותר המוכר לנו היום הוא החומר  YBa2Cu3O7  ("איבקו"), שטמפרטורת המעבר שלו היא כ-130 מעלות קלווין (בערך מינוס 140 מעלות צלזיוס). בניגוד לעל המוליכים הסטנדרטיים, אין בידינו תאוריה המתארת בצורה טובה את התנהגותם של על מוליכים כאלו, מה שמקשה על המשך פיתוחם, ועל פיתוח חומרים כאלו בטמפרטורת מעבר גבוהה עוד יותר.
 
מחקר חדש [3] שפורסם בכתב העת היוקרתי "nature" טוען שמצא על מוליכות בתצורות מסוימות של גרפן. גרפן [2] הוא שכבה דו ממדית (מעין דף נייר בעובי של אטום אחד) של פחמן ומהווה מועמד משמעותי להיות הבסיס לדור חדש לחלוטין של טכנולוגיות. תצורות מסוימות של גרפן מציגות התנהגות אקזוטית [4], [5] ומאפשרות לצפות בתופעות שבעבר נחשבו למדע בדיוני. המחקר החדש גילה על מוליכות בשתי שכבות גרפן המונחות זו על זו בזווית של 1.1 מעלות בדיוק.
 
אפקט זה דומה מאוד לאפקט מוארה [6] שבו ערבוב של תבניות מחזוריות יוצר תבניות מחזוריות חדשות. למשל כשמסתכלים על רשת צפופה (כמו למשל נגד יתושים) מזוויות שונות: בכל זווית נראה תבנית פסים מעט שונה על הרשת. באופן דומה, שני מוליכים יכולים לייצר יחד תכונות מוליכות חדשות.

על המוליכות התגלתה בטמפרטורה של 1.7 קלווין. במבט ראשון, תוצאה זו אולי נראית חסרת ערך, כי הרי יש לנו כבר על מוליכים בטמפרטורות גבוהות בהרבה. אולם בפיזיקה כמו בפיזיקה, הסיפור אף פעם איננו פשטני כפי שנראה במבט ראשון.
 
הגילוי החדש הוא מרגש מאחר והוא נותן לנו גישה לעל מוליך הניתן לשליטה חיצונית: בעזרת מתח חיצוני ניתן לשלוט על האופן בו מתנהגים האלקטרונים (שיוצרים את הזרמים החשמליים בחומר) ולמעשה לשנות משמעותית את תכונות ההולכה של החומר. בנוסף, ייתכן כי בעזרת משחק עם הזווית והזזה יחסית של השכבות, נוכל לקבל תכונות מעניינות נוספות. הסיפור איננו מסתיים כאן. גדלים מדידים של המערכת החדשה מראים התנהגות דומה מאוד לזו של קופרטים.  שתי שכבות הגרפן הן קלות יחסית למידול (הכל כמובן יחסי, רמת המורכבות קטנה בהרבה מזו של קופרטים, אולם זו עדיין משימה קשה למדי). שתי תוצאות אלו רומזות שאולי ניתן להעזר במערכת החדשה בכדי להבין את מערכות הקופרטים, ולקבל תובנות חדשות על מוליכי על בטמפרטורות גבוהות. למשל, יתכן כי תצורות חדשות של שתי שכבות הגרפן יהיו ניתנות להעתקה לקופרטים ויאפשרו לנו להתקרב עוד יותר לגביע הקדוש של מוליכי העל - מוליך על בטמפרטורת החדר.
 
האם אנו עומדים לראות בקרוב דור חדש של מוצרים מוליכי על ?
יש מספר הסתייגויות חשובות המקטינות את הסיכויים לכך. גם גרפן דו שכבתי הוא חומר עם סיבוכיות משלו, אף שהוא פשוט יותר מתרכובות העופרת. בנוסף, גם אם נצליח להגיע לתובנות חדשות לגביו, אין כלל ביטחון שניתן יהיה להסיק מכך על  קופרטים. הדמיון בין השניים עד כה כלל לא מבטיח שהפיזיקה באמת דומה, ויתכן כי הדמיון מקרי.
בעיות נוספות קשורת לגרפן עצמו. אין ביטחון שעל מוליכות תתגלה גם בתצורות נוספות, וגם אם כן, אין סיבה לחשוב שהיא תהיה בטמפרטורות גבוהות. לבסוף, המגבלה העיקרית עד כה בשימוש בגרפן באופן מסחרי היא תהליך הייצור שלו: קשה מאוד לייצר שכבות גדולות של גרפן, ולרוב השימוש בו נעשה בתצורות ננו של פחמן , המשולבות במעגלים סטנדרטיים.
ימים יגידו האם זו תחילתו של עידן חדש בעולם העל מוליכים, או שמדובר בעוד אנקדוטה חביבה.
 
[1] על על מוליכים
http://ffden-2.phys.uaf.edu/113.web.stuff/travis/what_is.html
[2] על תורת BCS
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bcs.html
[3] קישור למחקר
https://www.nature.com/articles/nature26160
[4] על גרפן
https://www.facebook.com/MadaGB/posts/801244963367638:0
על גרפן טופולוגי
https://www.facebook.com/MadaGB/photos/a.144320005726807.32753.144317442393730/687728071385995/?type=3
 
[5] על עירורים
[6] על אפקט מוארה
https://www.youtube.com/watch?v=QZYpEMp87Xo