אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 1: על מוליכות-על והמגנט החזק במזה”ת

אורן שעיה, בעל הבלוג “עד כדי קבוע” נפגש עם אמיר סגל כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה. פרק ראשון בסדרה

אמיר הוא ירושלמי במקור וכיום מתגורר עם אשתו ובתו במודיעין. הוא גיטריסט בלהקת ‘קוביאשי פורצלן’. את התואר הראשון עשה באוניברסיטה העברית וכיום מסיים את עבודת הדוקטורט בפיזיקה במעבדת הספינטרוניקה והשדות המגנטיים הגבוהים של פרופ. אלכסנדר גרבר באוניברסיטת תל-אביב.

אמיר, אז מה אתם עושים שם?

אנחנו מעוניינים לחקור ולהבין את ההשפעה של שדות מגנטיים על ההולכה החשמלית של חומרים בשכבות דקות. לשם כך, יש לנו במעבדה את המגנט החזק במזרח-התיכון, לפחות על פי הפעם האחרונה שבדקתי. מדובר באלקטרומגנט שהוא בעצם סליל מתכתי הדומה בצורתו לקפיץ (ראו איור). כאשר מזרימים דרכו זרם חשמלי, נוצר בתוך החלל הגלילי שדה מגנטי אחיד. לשם ביצוע מדידה מכניסים את הדגם, שאותו מעוניינים לחקור, לתוך חלל הסליל. על ידי שינוי הזרם ניתן לשלוט בעוצמת השדה המגנטי בדיוק רב, ולבדוק כיצד השינוי משפיע על המוליכות החשמלית של החומר הנבדק.

החומרים העיקריים שאנחנו חוקרים הם חומרים פרומגנטיים וחומרים מוליכי-על. מוליכי-על הם חומרים שבמידה ומקררים אותם מתחת לטמפרטורה מסוימת (הטמפרטורה הקריטית), ההתנגדות החשמלית שלהן יורדת לאפס. למשל עופרת עוברת למצב מוליכות-על בטמפרטורה 7.19 מעלות מעל האפס המוחלט (כלומר 266- מעלות צלזיוס). במצב מיוחד זה אין בזבוז אנרגיה במהלך זרימת החשמל בדגם והיא יכולה, באופן תיאורטי, להימשך לעד.

התופעה התגלתה כבר ב-1911, אבל רק בשנות ה-50 הצליחו למצוא לה הסבר. ההסבר קשור לכך שהאלקטרונים המשתתפים בהולכה החשמלית מסודרים בזוגות, ובין הזוגות המיוחדים של האלקטרונים ישנה משיכה במקום דחייה. הסבר זה זיכה את הוגיו בפרס הנובל בפיזיקה. בשנות ה-80 היתה התפתחות מעניינת נוספת, כאשר התגלתה משפחה של חומרים שהמעבר בה למצב מוליכות-על מתרחש בטמפרטורות גבוהות יחסית, חלקן מעל הטמפרטורה של חנקן נוזלי. עבור תופעה זאת אין הסבר מניח את הדעת עד היום.

ומהם חומרים פרומגנטיים?

בכל חומר ישנם אלמנטים מגנטיים מיקרוסקופיים שנקראים המומנטים המגנטיים. האלקטרונים, למשל, נושאים את התכונה הזאת שנובעת מהספין שלהם. למומנטים המגנטיים בחומרים פרומגנטיים יש נטייה להסתדר באותו כיוון. חומרים שבהם כל המומנטים המגנטיים מצביעים לאותו כיוון יהיו מגנטיים ונוכל למשל להדביק אותם למקרר.

אז למה ברזל, שהוא פרומגנט, אינו תמיד מגנטי?

מכיוון שהמצב היציב של המומנטים המגנטים תלוי בהרבה פרמטרים. בדרך כלל, המומנטים המגנטיים יהיו מסודרים לאותו כיוון באזורים מוגבלים באורך של כמה מיקרונים. כל אזור כזה יצביע למקום אחר, כך שפיסת החומר כולה לא תהיה מגנטית. נוכל להשקיע אנרגיה ולגרום לכול המומנטים להצביע לאותו כיוון, למשל על ידי הפעלת שדה מגנטי חיצוני, ואז החומר יהפך למגנט קבוע (ראו איור).
למה החומרים האלה מעניינים?

משתי סיבות עיקריות: הסיבה הראשונה היא שיכולים להיות להם יישומים טכנולוגיים שאולי נגיע אליהם בהמשך. הסיבה השניה היא שלמרות שהחומרים האלה ידועים למדע כבר הרבה שנים, דברים רבים לגבי הפיזיקה שמכתיבה את התופעות הללו אינה מובנת.

אז מה רציתם לבדוק אצלכם במעבדה?

אחד הפרויקטים שעבדתי עליהם היה לחקור תערובת של חומרים פרומגנטיים ומוליכי-על.

למה?

כי יש בהם משהו שהוא סותר באופן בסיסי. זוגות האלקטרונים המיוחדים המשתתפים בהולכה בחומר מוליך-על מורכבים משני אלקטרונים בעלי מומנט מגנטי בכיוון הפוך. לעומת זאת, כפי שהזכרתי קודם, בחומרים פרומגנטיים הנטייה של המומנטים המגנטיים היא להסתדר באותו כיוון. זוג אלקטרונים ממוליך-העל שימצא את עצמו פתאום בחומר פרומגנטי, עלול ‘להרגיש שלא בנוח’. רצינו לדעת כיצד יתנהג החומר במצב זה.

ומה גיליתם?

לצערי, בהתחלה לא הרבה. מסתבר שכאשר ערבבנו את החומרים שהשתמשנו בהם, ניקל פרומגנטי ועופרת מוליכת-על, התקבלה ערבוביה של גרגירי ניקל, גרגירי עופרת וגרגירים של תרכובת בין הניקל והעופרת. היווצרות התרכובת לא היתה צפויה ומנעה מאיתנו להגיע למסקנות ברורות לגבי הנושא אותו רצינו לבדוק.

ניסינו להתגבר על הבעיה בכל מיני שיטות וזה לא בדיוק עבד. אך בזמן שעבדנו על פתרון הבעיה, נתקלנו בתופעה מעניינת לא פחות. משהו לא צפוי שהופיע גם במדידת מוליכי-על וגם בפרומגנטים, והצביע על קשר כלשהוא ביניהם.

מה ראיתם?

כאשר מודדים את ההתנגדות של חומר פרומגנטי כפונקציה של השדה המגנטי, התוצאה תמיד סימטרית. הכוונה היא שההתנגדות החשמלית של החומר בשדה מגנטי מסוים תישאר אותו דבר אם נהפוך את כיוון השדה (ראו איור). במדידות שביצענו במעבדה התקבלה תוצאה הכוללת אלמנט אנטי-סימטרי בנוסף לאות הסימטרי שאנו רגילים למצוא. האות האנטי-סימטרי הופיע בשלב בו המגנטיזציה של הדגם מתהפכת.

בו בזמן, מצאנו במוליכי-על תופעה דומה אך הפוכה. לתופעה אנטי-סימטרית ביחס לשדה המגנטי (מתח הול) התווסף אלמנט סימטרי באזור המעבר למצב מוליך-על.

אז מה הקשר בין שתי התופעות? הרי אלה חומרים שונים לחלוטין.

נכון, אבל מה שמקשר בין שתי התוצאות זה שבירת הסימטריה. משהו התווסף למערכת הפיזיקלית והוסיף כיווניות שונה מהצפוי. דבר זה יכול להיות למשל אי-הומוגניות של החומר. בתהליך הייצור של הדגם יכולים להיגרם כל מיני פגמים כמו חוסר אחידות בעובי או חדירה של אטומים זרים. ‘הפרעות’ אלה עלולות לגרום למשל לשינויים מקומיים בתנאים שבהם עובר החומר ממצב רגיל למצב מוליך-על. דבר זה יגרום לאזורים מסוימים בחומר להיות מוליכי-על בו בזמן שאזורים אחרים לא יהיו במצב זה, מה שיגרום להסטה של הזרימה החשמלית ולמתחים פנימיים שונים ומשונים, כפי שנצפו בניסויי.

אוקיי, הסבר מעניין. אבל, איך בדקתם אם התופעה שהוא מתאר אכן מתקיימת במציאות?

פשוט ייצרנו דגמים שבהם הייתה אי-הומוגניות שאנחנו יזמנו כמו שינוי הדרגתי בעובי או שינוי בסוג החומר. עבור מקרים אלה יכולנו להשתמש במודל שלנו כדי לנסות לחזות את תוצאת האי-הומוגניות ואותה לאשש בניסויים על דגמים אלה.

אז תסכם את הקשר בין שני סוגי החומרים.

בשני סוגי החומרים, מוליכי-על ופרומגנטים, יש נקודות קריטיות שקשורות בשדה המגנטי וגורמות לשינויים גדולים בהולכה החשמלית. במוליכי-על זה המעבר למצב מוליך-על ובפרומגנטים זה היפוך כיוון המגנטיזציה. חוסר ההומוגניות גורם לשינויים מרחביים בתכונות של החומר. סביב הנקודות הקריטיות, שינויים אלה באים לידי ביטוי וגורמים לשבירת הסימטריה, שזה בעצם מה שראינו בניסוי.

אז מה הצעד הבא?

לגבי הפרויקט הזה, החלטנו לנסות כיוון פעולה יותר יישומי. יש לנו כמה רעיונות איך לנצל חוסר הומוגניות לתכנון רכיבי זיכרון מגנטיים יעילים יותר מאלה הקיימים. כרגע אנחנו עובדים עליהם, ואולי יום אחד הם יוכלו להוות תחרות לזיכרונות הפלאש הפופולאריים.

———————————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.