כל הדרכים המובילות למוליכות-על

חוקרים מגרמניה בשיתוף פעולה בינלאומי גילו “חתימה” מגנטית המופיעה בכל החומרים העל-מוליכים מבוססי-הברזל, אפילו באם התרכובות המקוריות שמהן מתקבלים העל-מוליכים הינן בעלי תכונות כימיות שונות.

מאז הגילוי של משפחה חדשה של על-מוליכים בשנת 2008, מתקיים שיטפון של מחקר לגביה ברחבי העולם כולו. שלא כמו המשפחה שהייתה ידועה קודם לכן – חומרים קראמיים מבוססי-נחושת (cuprates), המבנה הבסיסי של משפחת חומרים חדשה זו מורכב מתרכובות ברזל. מאחר וחומרים אלו שונים מהמשפחה המוכרת באופנים מהותיים רבים, קיימת תקווה להפקת תובנות חדשות לגביי המקורות להופעתה של על-מוליכות.

בשיתוף פעולה עם קבוצת מחקר בינלאומית, חוקרים מהאוניברסיטה הגרמנית Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) גילו עתה “חתימה” מגנטית המופיעה בכל החומרים העל-מוליכים מבוססי-הברזל, אפילו באם התרכובות המקוריות שמהן מתקבלים העל-מוליכים הינן בעלי תכונות כימיות שונות. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Materials.

על-מוליכים מתקבלים באופן כללי באמצעות “אילוח” (זיהום מכוון, “doping”) של התרכובות ההורות, כלומר הכנסת אטומים זרים לחומרים המקוריים. קיים מתאם הדוק בין מגנטיות לבין על-מוליכות – שניהם מאפיינים של חומרים מוצקים. על-מוליכים נפוצים, כגון אלו המשמשים במכשירי MRI המצויים בבתי-חולים, אינם מקבלים את המגנטיות ברצון מאחר וזו מפריעה ליחסי-הגומלין המובילים ליכולת העל-מוליכות בתוככי הגביש. הדבר שונה באופן מהותי עבור על-המוליכים הפועלים בטמפרטורה גבוהה, כגון קופראטים ותרכובות ברזל-ארסן. בחומרים אלו, הכוחות המגנטיים דווקא מסייעים ואפילו מקדמים את ההפעלה של על-המוליכות. בתרכובות אלו מצויים דפוסים מסודרים של מגנטיות אשר נוכחותם במבנים גבישיים מהווה סימן מרמז שהחומר מתאים לשמש כעל-מוליך בטמפרטורה גבוהה. מתברר כי בעל-המוליכים החדשים, המבוססים על ברזל, הסימטריה של הדפוסים המגנטיים מתאימה במדויק לסימטריה של האות העל-מוליך.

החוקרים הגרמניים הכינו גבישים של ברזל-טלוריום-סלניום (iron-tellurium-selenium) וקבעו את ההרכב הכימי שלהם באמצעות שיטות מדידה של קרני רנטגן והשתברות נויטרונים. ע”י כך הם מדדו את האותות המגנטיים בתוככי הגבישים. הם גילו כי הסימטריה של הדפוס המגנטי שונה באופן מהותי מזו הקיימת בתרכובות ההורות המבוססות על ברזל, כגון תרכובות ברזל-ארסן. אף-על-פי-כן, באופן מפתיע, הבדל זה אינו משפיע על קבלת על-המוליכות כמאפיין. החוקרים הבחינו כי האות המגנטי שמתקבל ע”י החומר העל-מוליך – לעיתים מכונה “תהודה מגנטית” – הינו בעל אותה הסימטריה כשל הדפוס המגנטי. וסימטריה זו זהה בכל תרכובות הברזל, וכנראה נוצרת בעקבות מנגנון כללי האחראי ליכולת העל-מוליכות בכל החומרים הללו.

החוקר הראשי, Dimitri Argyriou, מתאר את התכונה הזו: “לאור הידוע לנו לגביי הדפוס המגנטי עבור תרכובות ברזל, החומרים המבוססים על ברזל-טלוריום-סלניום לא אמורים היו להיות על-מוליכים. אולם במקרה זה מתרחש בדיוק ההיפך: למרות ההבדלים במגנטיות, החתימה של תכונת העל-מוליכות זהה בכולם. אם כתוצאה מממצאים אלו נוכל להבין כיצד נוצרת על-המוליכות למרות תנאי פתיחה שונים, אזי נוכל אולי להצליח לפתח חומרים שיהיו על-מוליכים אפילו בטמפרטורות גבוהות יותר.”

הידיעה מהאוניברסיטה