פריצת דרך:
מוליך-על בטמפרטורת החדר
אסף שינפלד
חוקרים אמריקאים פיתחו חומר קרמי בעל תכונות של מוליך-על ב-15 מעלות צלזיוס. עם זאת, החומר נדרש להימצא בלחץ עצום
חוקרים מארצות הברית דיווחו בימים האחרונים על פיתוח חומר קרמי בעל תכונות של על-מוליכות בטמפרטורת החדר, כ-15 מעלות צלזיוס. עם זאת כדי לקיים את התכונה הזו יש להחזיק את החומר בלחץ עצום, של כ-40,000,000 PSI, פי מיליון מהלחץ האטמוספרי בגובה פני הים. פיתוח של מוליך-על בטמפרטורת החדר הוא אחד האתגרים הגדולים ביותר של פיזיקאים וכימאים בעשורים האחרונים, ופיתוח של חומר שימושי בעל תכונות של על-מוליכות יהיה בעל השפעה עצומה על חיי היום-יום שלנו.
זרימה וריחוף
חומרים בטבע נחלקים לפי מידת ההיענות שלהם להעברת זרם חשמלי. במוליכים אפשר להעביר זרם בנוכחות מתח חשמלי. ואולם, חלק ניכר מהאנרגיה החשמלית מתבזבזת בעקבות התנגדות החומר למעבר זרם דרכו.
זרם חשמלי בחומר הוא תנועה של אלקטרונים בכיוון מסוים. האלקטרונים נתקלים בדרך באטומים שבמוליך ומאבדים מהירות ואנרגיה כתוצאה מהתנגשויות אלו. ההתנגשויות גורמות לגלי רטט בחומר שבצורה מקרוסקופית מתורגמים לחום. זו הסיבה שהמחשבים והטלפונים שלנו מתחממים כאשר אנו מטעינים אותם וגורמים לזרם חשמלי בתוכם.
איבוד האנרגיה כתוצאה מהתנגדות גורם לבזבוז רב. כך, חלק גדול מהחשמל שאנו מייצרים מתבזבז לחום, מוריד לטמיון סכומי עתק ומגדיל משמעותית את הזיהום הנלווה.
המפתח לשינוי החל בראשית המאה ה-20. הפיזיקאי ההולנדי האיקה קמרלינג אונס (Kamerlingh Onnes) חקר את המוליכות של כספית בטמפרטורות מאוד נמוכות, תוך שימוש ראשוני בהליום נוזלי. הוא גילה שבטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט, הכספית מציגה מוליכות חשמלית אינסופית. בטמפרטורה נמוכה ב-4 מעלות קלווין, או 269 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, אפשר להעביר זרם חשמלי בכספית בלי לאבד אנרגיה ובלי שהזרם ידעך לאורך זמן רב. הוא קרא לתופעה הזו "על-מוליכות" (superconductivity), וזכה על עבודתו בפרס נובל בפיזיקה ב-1913.
בהמשך התגלו עוד חומרים שיכולים לשמש מוליכי-על בטמפרטורות נמוכות ביותר, ותכונות נוספות שלהם נחשפו. תאורטיקנים רבים ניסו לתת פרשנות לתופעה, כשהמוצלחת ביותר הגיעה ב-1957 וכונתה תיאוריית BCS על שם מפתחיה – ג'ון ברדין (Bardeen) ותלמידיו לאון קופר (Cooper) ורוברט שריפר (Schrieffer). השלושה העלו השערה, לפיה אלקטרונים בגביש נמשכים זה לזה באמצעות יחס גומלין משותף עם גלי תנודה של החומר.
כאן באה לידי ביטוי תופעה קוונטית: המשיכה מייצרת זוגות של אלקטרונים וכדי למסור מהם אנרגיה על ידי התנגשות, נדרשת כמות מסוימת של אנרגיה. בטמפרטורות נמוכות האנרגיה הזאת לא מתקבלת בהתנגשויות ואנחנו מקבלים הרבה זוגות של אלקטרונים שלא מאבדים את מהירותם – כלומר על-מוליכות.
תופעה מרתקת נוספת שהתגלתה במוליכי-על היא התנגדות מושלמת לשדות מגנטיים חיצוניים. שדה מגנטי חיצוני גורם לזרמים בתוך מוליך העל שדוחים את קווי השדה (תופעה זו מכונה "אפקט מייסנר", Meissner effect). כך אפשר לגרום למוליכי-על לרחף על פני מגנטים ללא הפסקה. תופעה זו היא גם מפתח למגוון יישומים שבהם נדרש להפחית חיכוך, ומוליכי-על משמשים כבר כיום ברכבות מהירות המרחפות על פני מסילות בזכות אפקט מייסנר.
עוברים לפסים מעשיים
