דוגמה לחומרים מוליכים-על

חומר מוליך-על הוא חומר המביא לידי ביטוי את היכולת להוביל אנרגיה חשמלית מבלי להציג התנגדות או הפסדי אנרגיה בתנאים מסוימים. איכות זו נקראת מוליכות-על, ו הוא התגלה בשנת 1911 על ידי הייקה קאמרלינג אננס.

הוחלט כי, ככל שהטמפרטורה יורדת, ההתנגדות החשמלית של חומר מוליך מתכתי הולכת ונעשית גרועה יותר; עם זאת, במוליכים המשמשים בדרך כלל, כגון נחושת קו וכסף אג, פגמים כגון זיהומים מייצרים ערך תקרה בחומר. במקרה של נחושת, אפילו קרוב לאפס מוחלט, מוצגת התנגדות שאינה אפסית.

ההתנגדות של מוליך-על יורדת בחדות לאפס כאשר החומר מתקרר מתחת לטמפרטורה הקריטית שלו. זרם חשמלי שזורם בחוט מוליך-על יכול להימשך ללא הגבלת זמן ללא מקור כוח. כמו פרומגנטיות וקווי ספקטרום אטומיים, מוליכות-על היא תופעה של מכניקת הקוונטים.

אופי מגנטי של מוליכים

למרות שהמאפיין הבולט ביותר של מוליכי העל הוא היעדר התנגדות, לא ניתן לומר כי מדובר בחומר של מוליכות אינסופית. למעשה, חומר מוליך-על מסוג I הוא די-מגנטי לחלוטין. דיאמגנטיות היא איכותו של חומר המאפשר לו להבריח שדות מגנטיים. בניגוד לפרמגנטיות, הכוללת תגובה למשיכה של שדות מגנטיים. משמעות הדבר היא שהוא אינו מאפשר לשדה לחדור, הידוע כאפקט מייזנר.

שדות מגנטיים מבדילים שני סוגים של מוליכי על: סוג I, שאינם מאפשרים לחדור לשדה מגנטי חיצוני (אשר כרוך במאמץ אנרגטי גבוה, ומרמז על קרע פתאומי של מצב מוליך העל אם הטמפרטורה הקריטית חורגת), וסוג II, שהם מוליכי-על לא מושלמים, במובן זה השדה חודר ביעילות דרך ערוצים קטנים הנקראים מערבולות אבריקוסוב, או פלוקסונים. שני סוגים אלה של מוליכי-על הם למעשה שני שלבים שונים אשר ניבאו על ידי לב דוידוביץ 'לנדאו ואלכסיי אלכסיי אבריקוסוב.

כאשר מוחל שדה מגנטי חיצוני חלש על מוליך-על מסוג II, הוא דוחה אותו בצורה מושלמת. אם היא מוגברת, המערכת הופכת להיות לא יציבה ומתחילה להכניס מערבולות כדי להפחית את האנרגיה שלה. מערבולות אלה הולכות וגדלות, ומציבות את עצמן ברשתות מערבולת שניתן לצפות בהן בטכניקות מתאימות. כאשר השדה מספיק גדול, מספר הפגמים כל כך גבוה שהחומר כבר לא מוליך-על. זה השדה הקריטי שעוצר את החומר מוליך-על והוא תלוי בטמפרטורה.

אופי חשמל של מוליכי על

הופעתה של סופר דיאמגנטיות נובעת מיכולתו של החומר ליצור זרמי על. זרמי על הם זרמי אלקטרונים בהם לא מתפזרת שום אנרגיה, כך שניתן יהיה לשמור עליהם לנצח מבלי לציית לאפקט הג'ול של אובדן אנרגיה עקב ייצור חום. הזרמים יוצרים את השדה המגנטי החזק הדרוש לקיום אפקט מייזנר. אותם זרמים מאפשרים העברת אנרגיה ללא הוצאת אנרגיה, מה שמייצג את האפקט הבולט ביותר של סוג זה של חומרים.

מכיוון שמספר האלקטרונים של מוליכים-על הוא סופי, כמות הזרם שהחומר יכול לשאת מוגבלת. לכן, ישנו זרם קריטי שממנו החומר מפסיק להיות מוליך-על ומתחיל להפיץ אנרגיה.

במוליכים-על מסוג II, הופעת פלוקסונים גורמת לכך, אפילו לזרמים נמוכים יותר באופן קריטי, מתגלה פיזור אנרגיה עקב התנגשות המערבולות באטומי הסריג.

מוליכי טמפרטורה גבוהה

בשל הטמפרטורות הנמוכות הדרושות להשגת מוליכות-על, החומרים הנפוצים ביותר הם בדרך כלל הם מקוררים בעזרת הליום נוזלי (חנקן נוזלי שימושי רק כאשר מטפלים במוליכים על מהירים טֶמפֶּרָטוּרָה). ההרכבה הנדרשת מורכבת ויקרה ומשמשת ביישומים מעטים, כמו בניית אלקטרומגנטים חזקים לתהודה מגנטית גרעינית (NMR).

בשנות השמונים הם התגלו מוליכים-על בטמפרטורה גבוהה, המציגים את מעבר השלב בטמפרטורות מעל המעבר הנוזל-אדי של חנקן נוזלי. זה הוזיל את העלויות בחקר חומרים כאלה, ופתח את הדלת לקיומם של חומרים מוליכי-על בטמפרטורת החדר, מה שאומר מהפכה בתעשיית העולם העכשווי.

החיסרון העיקרי של מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה הוא ההרכב הקרמי שלהם, מה שהופך אותם לא מתאימים לייצור כבלים על ידי עיוות פלסטי. עם זאת, פותחו טכניקות חדשות לייצור קלטות כגון IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). באמצעות טכניקה זו הושגו כבלים באורכים העולים על קילומטר אחד.

דוגמאות ליישומים של מוליכים

מוליך-על מתנהג בצורה שונה מאוד ממוליכים רגילים. זה לא מוליך שהתנגדותו קרובה לאפס, אך ההתנגדות שווה בדיוק לאפס. לא ניתן להסביר זאת על ידי הדגמים הקונבנציונליים המשמשים לנהגים נפוצים, כגון דגם Drude.

מגנטים מוליכי-על הם מהאלקטרומגנטים החזקים ביותר הידועים. הם משמשים ברכבות מגלב (ריחוף מגנטי), במכונות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) בבתי חולים, ובמיקוד לקורה של מאיץ חלקיקים. הם יכולים לשמש גם להפרדה מגנטית, כאשר חלקיקים מגנטיים חלשים נשאבים מרקע של חלקיקים פחות או לא מגנטיים, כמו בתעשיות פיגמנט.

מוליכי-על שימשו גם לייצור מעגלים דיגיטליים ומסנני תדרים רדיו ומיקרוגל לתחנות בסיס לטלפונים ניידים.

מוליכי-על משמשים לבניית צמתים של ג'וזפסון, שהם אבני הבניין של SQUIDs (Supercononducting Quantum Interference Devices), המגנומטומטרים הידועים ביותר רָגִישׁ.

בהתאם למצב ההפעלה, ניתן להשתמש בצומת ג'וזפסון כגלאי פוטון או כמיקסר.. השינוי הגדול בהתנגדות למעבר מהמצב הרגיל למצב מוליך העל משמש לבניית מדחומים בגלאי פוטונים קריוגניים.

יישומים חדשניים וצופים פני עתיד כוללים שנאים בעלי ביצועים גבוהים, אחסון אנרגיה, העברת חשמל, מנועים חשמליים והתקני ריחוף מַגנֶטִי.

עם זאת, מוליכות-על רגישה לשדות מגנטיים נעים כך שיישומים השימוש בזרם חילופין, כמו שנאים, יהיה קשה יותר לייצר מאלה המוזנים בזרם תמשיך ללכת.

דוגמאות לחומרים מוליכים-על

הם יכולים להיות מתכות, כגון:

1. עוֹפֶרֶת
2. פַּח
3. זירקוניום
4. כַּספִּית
5. ווֹלפרָם
6. אָבָץ
7. אירידיום
8. ונדיום
9. טִיטָן
10. לִיתִיוּם
11. בריום
12. בריליום
13. קדמיום
14. כרום.

הם יכולים להיות שאינם מתכות או מטאלואידים, כגון:

1. בּוֹר
2. סִידָן
3. פַּחמָן
4. סִילִיקוֹן
5. התאמה
6. חַמצָן
7. גוֹפרִית
8. סֵלֶנִיוּם
9. אַרסָן
10. בְּרוֹם
11. הוֹדִי
12. תליום
13. בִּיסמוּט