|
[[קובץ:Stickstoff gekühlter Supraleiter schwebt über Dauermagneten 2009-06-21.jpg|שמאל|ממוזער|200px|מוליך-על המרחף מעל מגנט כתוצאה מ[[אפקט מייסנר]], שבו קווי [[שדה מגנטי]] נדחים מפני מוליך-על.]]
'''מוליכות־על''' (לעתיםלעיתים נקראת גם '''על־מוליכות''') היא [[פאזה (חומר)|פאזה]] (מצב) של חומר ב[[פיזיקה של חומר מעובה]], בו מתקיימות תכונות של [[התנגדות חשמלית]] אפסית ו[[דיאמגנטיות]] (התנגדות לחדירת שדה מגנטי חיצוני) מושלמת. תכונה זו מתקיימת בחומרים מסוימים ב[[טמפרטורה|טמפרטורות]] נמוכות, [[שדה מגנטי]] חיצוני חלש ו[[זרם חשמלי]] חלש בחומר. מאז גילוייה של תופעת המוליכות-על על ידי [[האיקה קמרלינג אונס]], נתונה תופעה זו במחקר מתמיד, ועודנה מרתקת אנשי מדע וטכנולוגיה גם יחד. בפרט, תופעת המוליכות-על בטמפרטורות גבוהות יחסית איננה מוסברת בצורה המקובלת על כלל הקהילה המדעית עד היום ופתרונה יהיה, ככל הנראה, פריצת דרך בפיזיקה של חומר מעובה.
== היסטוריה ==
=== דיאמגנטיות ===
{{ערך מורחב|אפקט מייסנר}}
מבחינת מוליכותו החשמלית, מוליך-העל זהה למוליך אידאליאידיאלי אך בפועל, מוליך-העל נבדל ממוליך אידאליאידיאלי בתכונת הדיאמגנטיות המושלמת: שדה מגנטי חיצוני כמעט שאיננו יכול לחדור לתוך מוליך-על, מעבר למרחק מסוים, בעוד ובמוליך אידאליאידיאלי ייתכן מצב של שדה מגנטי שאיננו מתאפס.
לפי [[חוק לנץ]], כל שינוי בשדה החיצוני המופעל על מוליך גורם להופעת זרמים המבטלים את השפעתו. עם זאת, במוליך רגיל, התנגדותו החשמלית גורמת לדעיכתם של זרמים אלו ולכן מופיע שדה מגנטי בחומר. במוליך אידאליאידיאלי, לעומת כך, זרמים אלו לא ידעכו בהיעדר התנגדות ולכן לא ניתן לשנות את השטף המגנטי דרך מוליך אידאליאידיאלי. בפרט, אם המוליך האידאליהאידיאלי נמצא בראשית בתנאים בהם אין שדה מגנטי ואז מופעל שדה מגנטי חיצוני, השדה המגנטי לא יחדור אליו בתהליך זה. לו היה מוליך מסוים מצוי בתנאים של שדה מגנטי ואז מקורר לתנאי מוליך-אידאליאידיאלי, שדה מגנטי זה היה "נכלא" בתוכו. מתמטית, טענה זו נסמכת על [[חוק פאראדיי]]: עבור טבעת מוליכה בשטח A עם השראות L והתנגדות R הנמצאת בשדה חיצוני <math>B_0</math> מתקיימת הנוסחה <math>-A \frac{dB_0}{dt}=L\dot{I}+RI</math>. עבור R=0, נוסחה זו שקולה למעשה לקשר
<math>\ AB_0+LI=\text{const}</math>.
עם זאת, כאשר נערך ניסוי בו הופעל שדה מגנטי חיצוני על חומר שקורר למוליך-על, גם אם היה קיים בו שדה בראשית התהליך לפני שקורר עד לטמפרטורה בה הפך למוליך-על, התקבלו תוצאות השונות מאלו של מוליך אידאליאידיאלי: כאשר הונח חומר מתאים בשדה מגנטי וקורר עד למצב של מוליך-על, השדה בעומק מוליך העל התאפס. באופן כללי, בניגוד למוליך אידאליאידיאלי, מוליך-על כמעט שלא מאפשר לשדה מגנטי לחדור לתוכו, מעבר לסקלת אורך אופיינית מסדר גודל של עשרות או מאות ננומטרים, המסומנת <math>\ \lambda</math>. לכן, במקרה של מוליכי-על מקרוסקופיים, נוהגים לרוב להניח כי השדה הוא פשוט אפסי בתוך מוליך-העל. תופעה זו נקראת "אפקט מייסנר". תיאור החדירה של שדה מגנטי לתוך מוליך-על נתון ב[[נוסחה]] הבאה, הנקראת "משוואת לונדון".
<math>\nabla^2 \mathbf{B} = \frac{1}{\lambda^2}\mathbf{B}, \qquad \lambda \equiv \sqrt{\frac{m c^2}{4 \pi n_s e^2}} </math>
== מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה ==
{{ערך מורחב|מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות}}
מוליכות-העל שנדונה בסעיפים קודמים והסברה בצורה מיקרוסקופית על ידי תאוריית BCS מתקיימת בטמפרטורות נמוכות יחסית, כאשר הגבול התאורטי שהוערך בו תוכל מוליכות-על להתקיים לפי תאוריית BCS הוא 30 [[קלווין]]. עם זאת, בחלוף הזמן התגלו גם חומרים המגלים תכונות של מוליכות-על אף בטמפרטורות גבוהות יותר, חלקן אף גבוהות יותר מטמפרטורת ה[[רתיחה]] של [[חנקן]], היא 77 קלווין. לאלו האחרונים חשיבות רבה מבחינה טכנולוגית, שכן קירור בעזרת [[חנקן נוזלי]] הוא יחסית זול ופשוט. למשל, טמפרטורת המעבר של החומר YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7</sub>, המכונה לעתיםלעיתים [[YBCO]], היא 93 קלווין. חומרים אלו נקראים "מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה". כיום, לא ידוע מהו המנגנון הגורם לתופעת המוליכות בחומרים אלו ובעיה זו היא מבין הבעיות הפתוחות המשמעותיות ב[[פיזיקת 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 ==
|
