ניסויים חדשים במשפחה של על-מוליכים מבוססי-ברזל, שהתגלתה לאחרונה, מרמזים כי יכולתם של האלקטרונים להוליך חשמל בלי התנגדות קשורה ישירות למאפייניהם המגנטיים של אלקטרונים אלו.
ממצאי הניסויים הופיעו בגיליון ינואר של כתב-העת המדעי Physical Review Letters. המחקר, שנערך ע"י צוות פיסיקאים מארה"ב ומסין, שופך אור על אופייה הבסיסי של על-מוליכות בטמפרטורה גבוהה, מסביר הפיסיקאי Qimiao Si מאוניברסיטת רייס (Rice).
עם הבנה טובה יותר שלהם, על-מוליכים בטמפרטורה גבוהה יוכלו לעורר מהפכה במחוללים חשמליים, בסורקי MRI, ברכבות מהירות ובהתקנים אחרים.
במחקר, שלו היו שותפים מדענים ממספר אוניברסיטאות ומכוני-מחקר בארה"ב ובסין, נבדקו מספר תרכובות של ארסניד-ברזל (iron-arsenide). אלו הן "ההורים" הבלתי-מזוהמים של חומרים המכונים "iron pnictides", חומרים שהתגלו בשנת 2008 כעל-מוליכים בטמפרטורה גבוהה שהינם תרכובות בינאריות של ברזל יחד עם אחד מהיסודות האחרים במשפחת החנקן: זרחן, ארסן, אנטימון וביסמות.
הניסויים נערכו בכדי לבחון את תקפות השערותיהן התיאורטיות של החוקר Si ועמיתיו שפורסמו בחודש מארס שעבר בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences. הם חזו כי שינוי הגודל של חלק מהאטומים בתרכובות ההורות יאפשר לפיסיקאים לכוונן את התנודות הקוונטיות של חומרים שונים. סוגים אלו של תנודות יוכלו להוליד נקודות קצה המכונות "נקודות קוונטיות קריטיות", מצב המתרחש כאשר חומר מצוי בקצה המעבר שלו ממופע (פאזה) קוונטי אחד לאחר.
ע"י שימוש במכשירי פיזור-נויטרונים, הצוות הטיח בחומרים אלומת נויטרונים בכדי לפענח את המבנה שלהם ואת מאפייניהם המגנטיים. הניסויים, שתמכו בתחזיות התיאורטיות המוקדמות של החוקרים, הראו כי מידת הסידור המגנטי בחומרים הופחתה כאשר אטומי ארסן הוחלפו באטומי זרחן, הקטנים מהם במעט. "חשפנו את העדות הישירה הראשונה כי נקודה קוונטית קריטית מגנטית אכן קיימת בחומרים אלו," מדגיש החוקר הראשי.
הממצאים התאפשרו בזכות המאמצים של פיסיקאי סיני מהמכון לפיסיקה באקדמיה למדעים הסינית וצוות המחקר שלו, אשר הכינו סדרת דגימות חומרים בעלות כמויות משתנות של אטומי זרחן שהחליפו את אטומי הארסן.
הגילוי של על-מוליכות בטמפרטורה גבוהה בחומרים קראמיים של תחמוצות נחושת בשנת 1986 הוביל את הפיסיקאים להבנה כי השפעות קוונטיות בחומרים "אלקטרוניים" הרבה יותר מורכבות מאשר התחזיות שלהם. אחת מההשפעות הללו הינה קריטיות קוונטית (quantum criticality). קריטיות מופיעה סמוך לנקודת קצה שדרכה עובר החומר כאשר הוא משנה את המופע שלו. שינויי מופע רבים – כגון ההמסה של קרח לכדי מים – מתרחשים כתוצאה מתנודות חומניות (תרמיות). אולם, קריטיות קוונטית ושינויי מופע קוונטיים נובעים בלעדית מתנודות קוונטיות.
"הממצאים שלנו בדבר נקודה קריטית קוונטית בחומרים אלו (iron pnictides) סוללים את הדרך לתחומי מחקר חדשים של חומרים אלו," מסביר אחד מהחוקרים.
"אומר החוקר הראשי: "העדויות ממחקר זה מחזקות את ההשערה כי על-מוליכות בטמפרטורה גבוהה בחומרים אלו נובעת ממגנטיות אלקטרונית. עובדה זו עומדת בניגוד לעל-מוליכות רגילה בטמפרטורה נמוכה הנובעת מתנודות יוניות."
תגובה אחת
למשה תודה על הכתבה המעניינת.
הבנת המנגנון של על-מוליכות בטמפרורות גבוהות היא אחת השאלות הפתוחות המרתקות בפיסיקה כיום.
מיטב המדענים ניסו לפתור בעיה זו בעשרים השנה האחרונות ללא הצלחה יתרה.
אגב הבנת המנגנון לא בהכרח תוביל לפיתוחים טכנלוגיים כפי שנטען בכתבה (מטעמים פוליטיים), התקווה כי מולכי על בטמפרטורות גבוהות יביאו לרכבות שירחפו על פסי רכבת על-מוליכים וכדומה הייתה כבר לפני 20 שנה וכנראה כי היא מורכבת מדי טכנולוגית. הבנה נוספת במנגנונים של העל-מויכות בטמפרטורה גבוה לא תשנה ככל הנראה את המצב.