מהו מוליך על?

מוליכות־על היא מצב של חומר מעובה בו מתקיימות שתי תכונות:

1. התנגדות חשמלית אפסית. תכונה זו מתקיימת בחומרים מסוימים בטמפרטורות נמוכות, שדה מגנטי חיצוני וזרם חשמלי בחומר. מאז גילוייה של תופעת העל-מוליכות, היא נתונה במחקר מתמיד ומרתקת אנשי מדע וטכנולוגיה.
2. דיאמגנטיות מושלמת (אפקט מייסנר): דחיית שדה מגנטי חיצוני, אליו הם נחשפים. שדה מגנטי חיצוני כמעט שאיננו יכול לחדור לתוך על-מוליך, מעבר למרחק מסוים

הסטוריה:

תופעת העל-מוליכות התגלתה בשנת 1911 על ידי האיקה קמרלינג אונס (שאף טבע את המונח) בעת שחקר את ההתנגדות החשמלית של כספית בטמפרטורות נמוכות בעזרת הליום נוזלי (שהתגלה רק זמן קצר טרם לכן). אונס הבחין כי ההתנגדות החשמלית של הכספית יורדת בצורה חריפה ואף מתאפסת עם קירור המערכת לטמפרטורה של 4.2 מעלות קלווין. בעשורים שלאחר מכן, התגלו תכונות על-מוליכות אף בחומרים אחרים.

התופעה:

בחומרים רגילים, תלויה ההתנגדות החשמלית בטמפרטורה בקשר הדוק: עם ירידת הטמפרטורה יורדת ההתנגדות החשמלית. באופן כללי, ניתן להסביר תופעה זו בכך ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך מקבלים אטומי החומר יותר אנרגיה קינטית בדמות חום ולכן יכולים להתנגש ביתר קלות עם האלקטרונים בגביש. הטמפרטורה גורמת לכך שאטומי החומר מקבלים אנרגיה קינטית ואינם נמצאים בדיוק בנקודות השריג, אלא מתנודדים סביב נקודת שיווי משקל כלשהי, וגורמים לדעיכות מקומיות של פונקציית הגל של האלקטרון, כך שנדרשת השקעת אנרגיה על מנת לאפשר לאלקטרונים לעבור את הגביש. ככל שיורדת הטמפרטורה, כך יורדת האנרגיה הקינטית של אטומי החומר והם מתקרבים יותר ויותר לנקודת שיווי המשקל.

חשוב לזכור שגם בטמפרטורה אפסית, במוליך קלאסי, לא תתאפס ההתנגדות, הן משום שבגביש יש פגמים הגורעים ממחזוריותו המושלמת והן משום שישנן פלקטואציות קוונטיות במיקום האטומים.

לעומת זאת ב"על-מוליכים", החל מטמפרטורה מסוימת ומטה, עבור שדות מגנטיים מתחת לעוצמה מסוימת ועבור זרמים חשמליים מתחת לסף מסוים, מתאפסת לחלוטין ההתנגדות החשמלית. תכונה זו אושרה פעמים רבות בניסוי, עד לטווח המדידות האפשרי (ניסיונית, ייתכן כי חומרים אלו הם בעלי התנגדות חשמלית שהיא מתחת ליכולת המדידה הידועה כיום, ולכן מאובחנים בטעות כבעלי התנגדות חשמלית אפסית(.

על מוליכים בטמפרטורה גבוהה:

על-המוליכות מתקיימת בטמפרטורות נמוכות יחסית, כאשר בגבול התיאורטי שהוערך בו תוכל על-מוליכות להתקיים הוא 30 מעלות קלווין. עם הזמן התגלו גם חומרים המגלים תכונות של על-מוליכות גם בטמפרטורות גבוהות יותר, כדוגמת טמפ' ההתכה של חנקן נוזלי. לאלו חשיבות רבה מבחינה טכנולוגית, שכן קירור בעזרת חנקן נוזלי הוא יחסית זול ופשוט. חומרים אלו נקראים "על-מוליכים בטמפרטורה גבוהה". כיום, לא ידוע מהו המנגנון הגורם לתופעת המוליכות בחומרים אלו ובעיה זו היא מבין הבעיות הפתוחות המשמעותיות בפיזיקת מצב מוצק. בפרט, נשאלת השאלה האם ישנו ערך עליון לטמפרטורה הקריטית של מוליכי על והאם ישנם מוליכי על אשר הטמפרטורה הקריטית שלהם היא מסדר גודל של טמפרטורת החדר, או אף מעליה, שכן מוליכות-על בטמפרטורת החדר יכולה להיות בעלת שימושים טכנולוגיים רבים.

שימושים:

סלילים של על-מוליכים יכולים ליצור שדות מגנטיים חזקים שאינם דועכים בשל אי דעיכתו של הזרם הזורם ללא התנגדות. לפיכך,אלקטרומגנטים מבוססי מוליכי-על יעילים למדי ומשמשים במספר התקנים בהם נדרשים שדות מגנטיים חזקים, כמו מכשירי תהודה מגנטית גרעינית, דימות תהודה מגנטית, רכבות ריחוף מגנטי ומאיצי חלקיקים.

 לפניך סרטון המדגים את התופעה: