קר יותר, ואז כלום
כל חוט רגיל מתנגד לזרם שעובר בו. האלקטרונים שנושאים את הזרם מתנגשים כל הזמן באטומים הרועדים של המתכת ובפגמים שבה, וכל התנגשות הופכת חלק מהאנרגיה שלהם לחום. קררו חוט נחושת, והאטומים שלו רועדים פחות, ולכן ההתנגדות שלו יורדת, אבל היא אף פעם לא מגיעה לאפס: הפגמים עדיין שם.
בשנת 1911 קירר האיקה קמרלינג אונס כספית בהליום נוזלי, וראה שההתנגדות שלה עושה משהו אחר. בטמפרטורה של בערך 4.2 K, קצת מעל האפס המוחלט, היא לא רק נעשתה קטנה. היא נעלמה. הוא קרא למצב החדש מוליכות־על, ולטמפרטורה שבה הוא מתחיל הטמפרטורה הקריטית, שמסומנת .
זרם שלא נעצר
התנגדות אפס היא לא סתם התנגדות נמוכה מאוד. הניעו זרם בלולאה סגורה של מוליך־על, והוא ממשיך לזרום בלי שום סוללה, כי שום דבר לא לוקח ממנו את האנרגיה שלו. זרמים כאלה נצפו במשך שנים בלי שום ירידה שאפשר למדוד.
הדיסקה שבסצנה עשויה YBCO, חומר קרמי של איטריום, בריום, נחושת וחמצן שהתגלה בשנת 1987. הטמפרטורה הקריטית שלו היא בערך 92 K, כלומר −181 °C. זה חם יותר מחנקן נוזלי, שרותח ב־77 K והוא זול וקל לטיפול, ולכן YBCO הפך את מוליכות־העל למשהו שאפשר לנסות במעבדה של בית ספר.
נסו: הזיזו את הטמפרטורה מ־100 K אל 77 K, הטמפרטורה של חנקן נוזלי, ועקבו אחרי ההתנגדות במד. מעל 92 K היא יורדת בהדרגה ככל שהדיסקה מתקררת. ב־92 K היא צונחת ישר לאפס.
דוחקים את השדה החוצה
בשנת 1933 מצאו וולטר מייסנר ורוברט אוכסנפלד את החצי השני של הסיפור. מוליך־על לא רק מוליך זרם בחופשיות: הוא משאיר שדות מגנטיים בחוץ. כשמגנט מתקרב, מתחילים לזרום זרמים סביב פני השטח של מוליך־העל. מכיוון שהם לא פוגשים שום התנגדות הם אף פעם לא דועכים, והם יוצרים שדה משלהם שמבטל את השדה של המגנט בתוך החומר. זהו אפקט מייסנר.
מוליך רגיל לא יכול לעשות זאת לאורך זמן. הזזת מגנט ליד נחושת אכן גורמת לזרמים לזרום, אבל ההתנגדות מכלה אותם תוך רגע, ועד מהרה השדה עובר ישר דרכה, כאילו הנחושת לא הייתה שם.
למה המגנט מרחף
השדה שיוצרים הזרמים שעל פני השטח מכוון נגד השדה של המגנט עצמו, כמו מגנט שני שמוסתר מתחת לדיסקה והקוטב שלו פונה לאותו כיוון. קטבים זהים דוחים זה את זה, ולכן הדיסקה דוחפת את המגנט למעלה. ככל שהמגנט קרוב יותר הדחיפה חזקה יותר, ולכן המגנט עולה עד שהדחיפה שווה למשקלו, ונעצר שם, מרחף.
בחרו פועל תחת הצגת קווי השדה כדי לראות זאת. מעל 92 K הקווים עוברים ישר דרך הדיסקה. מתחת לטמפרטורה הזאת הם נדחסים בין המגנט לדיסקה ומתעקמים סביב השפה שלה, והזרמים הזוהרים מקיפים את הדיסקה.
לא כל השדה נשאר בחוץ. קרוב לטמפרטורה הקריטית הדיסקה יכולה לשאת רק זרם קטן לפני שהיא מפסיקה להיות מוליכת־על, ולכן היא משאירה בחוץ רק חלק מהשדה, והמגנט מרחף נמוך יותר. כשהיא קרה יותר היא יכולה לשאת הרבה יותר, וכמעט כל השדה נשאר בחוץ. קבעו את הטמפרטורה על 90 K, קראו את גובה המגנט על הסרגל שמאחוריו, והפעילו את הצגת קווי השדה כדי לראות עוד מהשדה חודר פנימה.
למה האלקטרונים מפסיקים להתנגש
במתכות כמו כספית, עופרת וניאוביום, ההסבר הגיע בשנת 1957 מג’ון ברדין, לאון קופר ורוברט שריפר. אלקטרון שעובר מושך מעט לעברו את האטומים החיוביים של המתכת, והעיוות הקלוש הזה מושך אלקטרון שני. השניים הופכים לזוג קופר. מתחת לטמפרטורה הקריטית כל הזוגות נכנסים למצב אחד משותף ומסודר, ופגם יחיד לא יכול להוציא זוג אחד מהקצב בלי להפריע לכולם, ולכן הזרם ממשיך לזרום בלי שום הפרעה.
חומרים קרמיים כמו YBCO הופכים למוליכי־על בטמפרטורות גבוהות בהרבה ממה שהמנגנון הזה יכול להסביר בקלות. גם האלקטרונים שלהם מתחברים לזוגות, אבל מה בדיוק קושר אותם עדיין נחקר.
איפה משתמשים בזה
חוט מוליך־על יכול לשאת זרמים עצומים בלי להתחמם, וזה מאפשר לבנות את האלקטרומגנטים החזקים ביותר. כמעט בכל סורק MRI בבית חולים יש סליל של חוט ניאוביום־טיטניום שמקורר בהליום נוזלי, והזרם בו זורם במשך שנים. מאיץ LHC מכוון את אלומות החלקיקים שלו בעזרת יותר מאלף מגנטים מוליכי־על. רכבות ריחוף מגנטי שמבוססות על מוליכות־על מרחפות בזכות הדחייה בין מגנטים, והחיישנים המגנטיים הרגישים ביותר, שנקראים סקווידים (SQUID), הם טבעות מוליכות־על.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
- חוטי שדה. YBCO הוא מוליך־על מסוג שני: שדה חזק חודר לתוכו כחוטים דקים, שכל אחד מהם נושא כמות קבועה של שטף מגנטי, בזמן שהחומר שסביבם נשאר מוליך־על. פגמים בחומר הקרמי מקבעים את החוטים האלה במקומם, ולכן מגנט אמיתי מעל YBCO נעול בגובה שלו, ואפילו נשאר תלוי מתחת לדיסקה שהפכו אותה. המודל, לעומת זאת, משאיר את השדה בחוץ באופן אחיד.
- סדר הקירור. כאן רק הטמפרטורה משנה. דיסקה אמיתית שמקררים כשהמגנט כבר מונח עליה לוכדת את השדה הזה, וכמעט לא מרימה את המגנט.
- חדות הצניחה. בחומר קרמי אמיתי ההתנגדות יורדת לאפס בתחום של בערך קלווין אחד, ולא בטמפרטורה מדויקת אחת.
- גבולות. גם שדה חזק מספיק או זרם גדול מספיק הורסים את מוליכות־העל, אפילו הרבה מתחת לטמפרטורה הקריטית.
- המגנט נחשב לנקודה במרכזו כשמחשבים את השדה ואת כוח ההרמה שלו; קובייה שקרובה כל כך לדיסקה נדחפת קצת אחרת.