הדמיה של דינמיקה מאד מהירה ושל זרמים אי יציבים של מערבולות בעל מוליך - ד"ר יונתן אנהאורי

הדמיה מגנטית

במאמר שהתפרסם בכתב העת Nature Communications דווח, כי חוקרים הצליחו לראשונה לדמות ולמדוד באופן ישיר את תנועתן של מערבולות על מוליכות הנעות במהירות גבוהה במיוחד. המדידה התאפשרה הודות לשימוש בטכניקה ייחודית לדימות מגנטית אשר פותחה בעשור האחרון. גילוי זה יכול להוביל ליישומים רבים באמצעות שיפור תכונותיהם של מוליכי העל הקיימים המשמשים בהתקנים אלקטרוניים.

מוליכות על היא תופעה שבמסגרתה זרם חשמלי מסוגל לעבור דרך חומר ללא התנגדות. התופעה מופיעה כאשר חומרים מסויימים מקוררים מתחת לטמפרטורה קריטית. אפקט זה שימושי בטכנולוגיות שונות, החל ברכבות מרחפות וכלה במכשירי MRI ובמאיצי חלקיקים, וכן מצית את הדמיון במחשבות אודות רשת חשמל ללא איבודים ופיתוח יכולות מחשוב במהירויות גבוהות בהרבה מהקיימות בימינו.

אולם, קיומה של מוליכות על מוגבל בנוכחות שדות מגנטיים, דבר אשר מהווה מכשול בפנישילובם של חומרים אלו בטכנולוגיה יום יומית.

תת קבוצה של על מוליכים, הנקראת "מוליכי על מן הסוג השני", מפגינה עמידות גבוהה בהרבה לשדות מגנטיים. זאת, הודות ליכולתם של החומרים הללו לאפשר לשדה המגנטי לעבור דרכם באופן קוונטי, בצורה של גלילים צרים מקומיים הנקראים מערבולות (vortex). לרוע המזל, בנוכחות זרם חשמלי, מופעל על המערבולות כוח והן עלולות להתחיל לנוע. תנועה של מערבולות יוצרת איבוד אנרגיה ומביאה להופעת התנגדות חשמלית, אשר מהווה, שוב, מכשול בפני יישומים.

שיפור ההבנה מתי ואיך המערבולות ינועו או יישארו במקומן הפכה למטרה של מאמץ מחקרי גדול.  אך עד כה, היכולת לחקור את הדינמיקה של המערבולות הייתה מוגבלת מאד, בעיקר עקב מחסור בכלים מתאימים.

עתה, צוות בינלאומי של חוקרים בהובלת פרופ' אלי זלדוב ממכון וייצמן למדע וד"ר יונתן אנהאורי, מרצה בכיר במכון רקח לפיסיקה אשר באוניברסיטה העברית בירושלים, הראה, בפעם הראשונה, באיזו צורה המערבולות נעות וכמה מהר.

החוקרים השתמשו בשיטת מיקרוסקופיה סורקת חדישה המבוססת על "התקן התאבכות קוונטית של מוליכי-על בקצה חוד" – SQUID-on-tip. שיטה זו מאפשרת דימות מגנטית עם שילוב חסר תקדים של רזולוציה גבוהה במיוחד (כחמישים מיליארדיות המטר) ורגישות מגנטית גבוהה. השיטה החדשה פותחה בעשור האחרון במכון וייצמן למדע על ידי צוות גדול שכלל את הסטודנטים לדוקטורט ליאור אמבון ואלה לכמן, והיא מיושמת כעת גם באוניברסיטה העברית בירושלים במעבדתו של ד"ר יהונתן אנהורי.

באמצעות השיטה החדשה, ראו החוקרים מערבולות הזורמות דרך שכבה על מוליכה דקה בקצבים של עשרות ג'יגה-הרץ, אשר נעות במהירויות גבוהות יותר מכפי שהוערך שאפשרי כלל – עד ל-72,000 קמ"ש. מהירויות אלה אינן רק מהירות יותר ממהירות הקול בחומר, אלא עולות אף על המהירות שבה מתרחשת "שבירת זוגות" והעל מוליכות עצמה אינה יכולה להתקיים. כלומר, המערבולות מסוגלות לנוע במהירות הגדולה פי 50 מהמהירות של התווך המניע אותן. במהירות כזו, עצם יכול להקיף את כדור הארץ כולו בקצת למעלה מחצי שעה.

בתמונות וסרטונים הנראים כעת לראשונה, מסלולי המערבולות בחומר נראים כקווים מרוחים החוצים את החומר מצד אחד לשני. זאת, בדומה לטשטוש הנראה בתמונות שבהן מצולמים עצמים הנעים במהירות. למסלולים צורה דמויית עצים, בעלי גזע אחד אשר מתפצל בנקודות שונות לענפים. תופעה זו מפתיעה, מכיוון שבין המערבולות קיימת דחייה ובאופן רגיל הן דוחות זו את זו ומתפרשות כך שהמרחקים ביניהן יהיו גדולים ככל האפשר. במקרה דנן, המערבולות נוטות לעקוב זו אחר זו – תופעה שגורמת ליצירת מבנים דמויי עץ, או לשפך של נהר.

צוות של פיסיקאים תאורטיים מארה"ב ומבלגיה שעבדו בשיתוף על הפרוייקט הסביר את אופן התנועה הזה באמצעות "שובל חום" שמשאירה אחריה כל מערבולת בעת תנועתה. שובל זה הוא זה שמושך את המערבולות הבאות לנוע באותו המסלול. בנוסף, מסימולציות שערכו עולה, כי באמצעות תכנון קפדני של ההתקן וסילוק חום יעיל, ניתן יהיה להגיע גם לתנועה של מערבולות בקצבים בתחום הטרה-הרץ, תחום בעל פוטנציאל רב ליישומים אשר ייצורו מהווה אתגר טכנולוגי לא פתור.

עבודה זו חושפת את הפיסיקה העשירה החבויה בתנועה מהירה מאד של מערבולות בעל מוליכים, ומהווה כר פורה להמשך עבודה בתחום. טכניקת המיקרוסקופיה החדשנית תאפשר לחוקרים לבחון התקנים וחומרים עתידיים במטרה למנוע את תנועת המערבולות ולשפר את תכונות העל מוליכים לשילובם ביישומים.

למאמר (אנגלית)

לסרטון