תגלית חשובה בחומר מוליך-על תאפשר אספקת אנרגיה יעילה יותר

מדענים מהמעבדה הלאומית בארה"ב (Argonne) גילו מופע (פאזה) בלתי-ידוע בקרב משפחה של חומרים על-מוליכים הקרויים ארסנידים של ברזל, מופע שיוכל להיות מנוצל לשם אספקה יעילה של אנרגיה במגוון רחב של טכנולוגיות חדשות.

תמונה של התאבכות נויטרונים המראה את תוצאות הפיזור מדוגמה של באריום-ברזל-ארסניד הכוללת בתוכה יוני נתרן הצמודים ל-24% מאתרי הבאריום. סימטריה מסדר 2 מתקיימת מתחת לטמפרטורה של 90K אולם סימטריה מסדר 4 חוזרת בטמפרטורה מתחת ל-K40. המבנים האטומיים והמגנטיים המתקבלים מוצגים בצדו הימני של האיור, כאשר העיגולים הכחולים מייצגים אטומי ברזל, והחיצים האדומים מייצגים את כיוון התנע המגנטי שלהם. [באדיבות Jared Allred / Argonne National Laboratory].

הגילוי שופך אור באשר למחלוקת הנוגעת ליחסי הגומלין שבין אטומים ואלקטרונים האחראים לעל-מוליכות הבלתי רגילה של חומרים אלו. המופע המגנטי החדש, שלא נצפה עד כה בעבר, עשוי להיות בעל השלכות משמעותיות באשר להבנתנו בתחום של על-מוליכות בלתי-קונבנציונאלית, מסביר הפיזיקאי Ray Osborn, במאמר שפורסם זה מכבר בכתב-העת המדעי Nature Communications.

חומרים מוליכי-על מסוגלים להעביר זרם חשמלי מבלי להיתקל בהתנגדות, זאת בהשוואה למוליכים מעולים כגון תילי הנחושת המשמשים ברוב כבלי החשמל המאבדים מהאנרגיה שלהם במהלך העברת הזרם החשמלי. חומרים על-מוליכים עדיין לא משמשים כיום להולכת חשמל בקווי הרשת הרגילים מאחר והם נדרשים להיות מקוררים לטמפרטורות נמוכות במיוחד. אולם, טווח מיוחד של חומרים "על-מוליכים בלתי-קונבנציונאליים" עשוי לספק את היכולת הזו. החוקרים סבורים כי ע"י הבנת התיאוריה שבבסיס פעילותם של חומרים מיוחדים אלו, ניתן להעלות את הטמפרטורה בה הם עובדים כעת, וכך הם יוכלו להשתמש בחומרים הללו במגוון רחב של טכנולוגיות חדשות.

התיאוריה שבבסיס מוליכי-על קונבנציונאליים נושנים יותר היא די מוצקה ומובנית – זוגות של אלקטרונים, הדוחים זה את זה באופן רגיל, מתחברים זה לזה באמצעות עיוות האטומים הסובבים אותם ויכולים כך לנוע דרך המתכת (בחומר מוליך רגיל, אלקטרונים אלו היו ניתקים מהאטומים תוך כדי יצירת חום). בעל-מוליכים בלתי-קונבנציונאליים האלקטרונים עדיין יוצרים זוגות, אולם החוקרים עדיין לא יודעים מה מחבר ביניהם. על מנת להגיע למצב בו האלקטרונים שבמוליך-על זורמים באופן חופשי ללא מגבלות, החומרים הללו נדרשים לשכנוע רב. הארסנידים של הברזל בהם משתמשים החוקרים הם מגנטיים באופן רגיל, אולם כאשר מוסיפים להם נתרן, המגנטיות נעלמת והחומרים הופכים בסופו של דבר לחומרים על-מוליכים בטמפרטורה הנמוכה מינוס 240 מעלות צלזיוס. האופן המגנטי של החומר משפיע גם על המבנה האטומי – בטמפרטורת החדר, אטומי הברזל יוצרים סריג מרובע בעל סימטריה מסדר 4, אולם כאשר הם מקוררים מתחת לטמפרטורת סף המגנטיות, הסריג מתעוות ליצירת מבנה מלבני בעל סימטריה מסדר 2 בלבד ("nematic order"). היה מקובל לחשוב כי סימטריה זו נשמרת עד להפיכתו של החומר למוליך-על, אולם הממצא החדש סותר זאת.

צוות החוקרים גילה מופע שבו החומר חוזר לצורתו המרובעת בעלת הסימטריה מסדר 4, במקום מסדר 2, קרוב לנקודת המעבר להפיכתו למוליך-על. ניתן לחזות בזאת בעזרת שיטה של התאבכות אבקת נויטרונים (neutron powder diffraction), שהיא שיטה רגישה ומדויקת, אך מתבצעת במספר מועט של מקומות בעולם. בשיטה זו ניתן למדוד לא רק את מיקומיהם השונים של האטומים במרחב, אלא גם את הכיוונים של התנע המגנטי המיקרוסקופי של כל אחד מהם.

גילוי המופע החדש עשוי לסייע בהכרעתה של מחלוקת ארוכת-יומין באשר למקורה של סימטריה מסדר 2. חוקרי תיאוריה התווכחו במשך השנים בשאלה האם סימטריה זו נגרמת כתוצאה מהמגנטיות או בשל אופן הסידור של האורביטלים. ההסבר האורביטלי טוען כי אלקטרונים נוטים להימצא באורביטלי d מסוימים, ובכך מזיזים את הסריג לעבר סימטריה מסדר 2. מודלים מגנטיים, מצד שני, מציעים כי יחסי-גומלין מגנטיים הם האחראים ליצירת הסימטריה מסדר 2 ושהם עצמם המפתח לעצם קיומו של מצב העל-המוליכות. ייתכן כי הגורם שמחבר יחדיו את שני האלקטרונים בזוגות בעל-מוליכים מסוג ארסנידים של ברזל הוא המגנטיות. תיאוריות המבוססות על גורם האורביטלות אינן חוזות חזרה לסימטריה מסדר 4 בנקודה זו, מסביר החוקר הראשי, אולם המודלים המגנטיים כן עושים זאת. עד היום, תוצא זה נצפה באופן ניסויי רק בתרכובות אלו הכוללות בתוכן את מלח הנתרן, אולם החוקרים סבורים כי הממצא מספק אישוש למודל המגנטיות בחומרים כלליים מסוג ארסנידים של ברזל. הממצא החדש יוכל לתרום להבנתנו גם באשר לעל-מוליכות בסוגים אחרים של חומרים, כגון תחמוצות נחושת, שגם בהן נצפתה סימטריה מסדר 2.

{loadposition content-related}