Page 9 - מגזין הטכניון | סתיו 2007

π
‰ È ‚ ¯  ‡ † Ì È „ · ‡ Ó † ‡ Ï
‰ Ë Ï Â ˜ Ù † Ï ˘ † ‰ ¯ Â Ù È Ò
פרופסור עמית קרן )בחולצה לבנה(, ד"ר
עמית קניגל )בחולצה סגולה( וסטודנטים
לחקר מוליכות-על ליד התנור החדש
"פרפטום מובילה" - זהו אחד הרעיונות שהלהיבו
מדענים רבים ברחבי העולם במשך מאות שנים.
- הוא Perpetuum Mobile פרפטום מובילה -
הרעיון של תנועה נצחית שאינה נזקקת לתוספת
אנרגיה מן החוץ מאחר שהיא אינה כרוכה באובדן
אנרגיה.
רעיון זה, שישימותו הותקפה שוב ושוב על ידי
תיאורטיקנים וניסיונאים, זכה להסתכלות חדשה
עם גילויה של התכונה הקרויה "מוליכות-על"
.( Superconductivity)
˙Ú‚˙˘Ó†˙ÈÙÒΉ†∫‰ÏÁ˙‰‰
בשנת 1191 גילה הפיסיקאי ההולנדי קמרלינג אונס
( כי קירורה של כספית לטמפרטורה נמוכהOnnes)
במיוחד - מינוס 962 מעלות צלזיוס - מקנה לה
תכונה מפתיעה ביותר: היעדר התנגדות חשמלית.
גילויה של תכונה זו, המכונה כיום "מוליכות-על",
זיכתה את אונס בפרס נובל שנתיים לאחר מכן.
במהלך המאה העשרים נמצאו מתכות רבות נוספות
ההופכות, בשלב מסוים בקירורן, לעל-מוליכות. זהו
תחום המעסיק כיום קהילה אדירה של ניסיונאים
ותיאורטיקנים, מאחר שלתכונת העל-מוליכות
נלווים אפקטים אלקטרו-דינמיים ותרמו-דינמיים
מפתיעים, מגוונים ועתירי יישומים פוטנציאליים.
פירוש המונח "מוליכות-על" הוא שזרימת החשמל
בחומר מתרחשת ללא כל התנגדות חשמלית, דהיינו
ללא אובדן אנרגיה. גילויים בתחום זה זיכו חוקרים
רבים בפרסי נובל, אולם שאלות רבות עדיין פתוחות
ומעסיקות חוקרים בעולם ובפקולטה לפיסיקה
בטכניון. כאן עוסקים בנושאים אלה, בין השאר,
ד"ר ג'ף שטיינהואר )עיבוי בוזה-איינשטיין בגזים
קרים(, ופרופסור אמיל פולטורק )על-נוזליות בהליום
נוזלי(.
המכנה המשותף לכל התופעות הקשורות
במוליכות-על היא העובדה שבשלב מסוים בקירורו
של החומר מתחילים החלקיקים האלמנטריים לנוע
כמקשה אחת, ללא איבוד של תנע ואנרגיה. אם
למשל נערבב הליום נוזלי )בטמפרטורה הרלוונטית(,
ובשלב מסוים נחדל מהעירבוב, המערבולת שיצרנו
לא תדעך אלא תימשך לנצח. "למעשה," מסביר
פרופסור אסא אוירבך, "בשלב מסוים של קירור
'נפרדת' המערכת מהמנגנונים הקלאסיים של חיכוך
המוכרים לנו )מנגנונים כגון חוט להט במנורה או
מעצורים ברכב - שם מומרת אנרגיה מכנית לחום(.
בתנאים של מוליכות-על מציית הזרם החשמלי
לחוקי המכניקה הקוונטית - בדומה לתנועת
האלקטרון סביב אטום המימן."
Ô¢‡¯†È˯‡È˙†¯·Ò‰†∫BCS
הניסיון להסביר את התופעה - באילו תנאים נוצרת
מוליכות-על, ומדוע - נמשך שנים רבות. פריצת
דרך חשובה בכיוון זה התרחשה ב-7591 עם פרסומה
,(BCS של תיאוריית ברדין, קופר ושריפר )ובקיצור
שזיכתה את מנסחיה בפרס נובל בפיסיקה. השלושה
הצליחו לחשב את טמפרטורת המעבר )הטמפרטורה
שבה הופך החומר למוליך-על( בחומרים שונים,
וניסחו מודל תיאורטי המסביר זאת. על פי תיאוריה
זו, מוליכות-העל נובעת מתנודות היונים )גלי הקול(
בגביש ומהיווצרות זוגות אלקטרונים המכונים צמדי
.( Cooper pairsקופר )
˙‰·‚†˙¯Â˯ÙÓˆ∫HTS
בשנת 7891 התרחשה מהפיכה נוספת - מהפיכת
: גילויה של מוליכות-על בטמפרטורותHTSה-
High-Temperatureגבוהות יחסית )
(. התופעה, שהתגלתה בניסוייםSuperconductivity
מעלות צלזיוס 196 בטמפרטורות סביב מינוס
)יותר ממאה מעלות מעל האפס המוחלט(, פתחה
תת-ענף מחקרי חדש בתחום מוליכות-העל. בהמשך
הדרך התגלה שדווקא חומרים קרמיים - המוכרים
לנו כמבודדים האולטימטיביים )למשל
מבודדי-החרסינה שאפשר לראות על עמודי
מתח-גבוה( - הם חומרים שבהם מתקיימת
מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות. כאן, בפקולטה
לפיסיקה, עוסקים בתחום זה התיאורטיקן פרופסור
אוירבך והניסיונאים פרופסור יקי אקשטיין, פרופסור
גד קורן, פרופסור עמית קרן וד"ר עמית קניגל.
"כיום," אומר פרופסור אוירבך, "ברור לנו שתיאוריית
משנת 7591 אינה מסבירה את התופעה של BCS
מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות. הממצאים
הנסיוניים מצביעים על חלקן של אינטראקציות
חזקות בין האלקטרונים ביצירת התופעה. אלה
אינטראקציות המובילות גם ליצירת מומנטים
מגנטיים. לכן אנו חוקרים כיום את הקשר בין
מוליכות-על לתכונות מגנטיות של החומר."
אחד המכשירים החדשים המסייעים במחקר
בתחום זה הוא "תנור אזור-צף" הנמצא במעבדה
של פרופסור קרן. "התנור הזה מאפשר לנו לבצע
התכה נקודתית של חומר הגלם שלנו )תחמוצת
נחושת(, וכך נוצרים הגבישים המשמשים בניסוי,"
מסביר פרופסור קרן. "לאחר מכן אנחנו מבצעים
את הניסויים השונים."
חשיבותה המעשית של מוליכות-על בטמפרטורות
גבוהות ברורה: ההתרחקות מן האפס המוחלט
)מינוס 51.372 מעלות צלזיוס( תגדיל את ישימותה
של מוליכות-העל באפליקציות ממשיות. ראוי לציין
כי כאשר מדברים בהקשר זה על "טמפרטורות
גבוהות" עדיין מדובר על טמפרטורות בסביבות
מינוס 081 מעלות צלזיוס. ובכל זאת, העליה החדה
מהאפס המוחלט למינוס 081 מעלות מאפשרת,
למשל, להשתמש בחנקן נוזלי )הקופא בטמפרטורות
נמוכות יותר( כחומר קירור זול למוליך-על. עובדה
זו פותחת פתח ליישומים רבים.
̘ȉ†˙È˘‡¯
"חקר תופעת מוליכות-העל עשוי לשפוך אור על
הולדת היקום," אומר פרופסור אמיל פולטורק.
"אחת השאלות בהקשר זה היא, למשל, איך נוצרו
החלקיקים במהלך המפץ הגדול. הרי מיד לאחר
המפץ לא היו חלקיקים - רק קרינה, מין 'גוש' אחיד
של קרינה. כשהגוש הזה הלך והתקרר נוצרו מתוך
הקרינה חלקיקי החומר. למה? ולמה דווקא
החלקיקים הקיימים והמוכרים לנו?"
במהלך המפץ הגדול, על פי כמה מהתיאוריות
בתחום זה, התחולל באותו "גוש קרינה" מעבר-פאזה,
כלומר מעין "התעבות" שכתוצאה ממנה נוצרו
החלקיקים. ומה הקשר למוליכות-על? הקשר הוא
שתהליך דומה לאותו מעבר-פאזה קורה במהלך
קירור מתכות מסוימות - במתכת מתחולל
מעבר-פאזה, הגורם להפיכתה למוליך-על.
"בניסויים שלנו הצלחנו להראות שסוג של
פגמים-דמויי-חלקיקים כאלה נוצרים באופן
ספונטני בתהליך מעבר הפאזה," אומר פרופסור
פולטורק. "כדי לדמות את המפץ הגדול נדרשנו
לקרר מוליך-על בקצב מהיר ביותר. במערכת
הניסויית שבנינו כאן, בשיתוף פרופסור גד קורן,
אנחנו מצליחים לקרר את החומר בקצב מהיר
ביותר.
"תוצאות הניסוי אכן מאשרות כי החלקיקים יכלו
להיווצר בתהליך ההתקררות בעקבות המפץ הגדול."