מוליכות-על היא חלק מגניב בפיזיקה שיש לו שימושים בגורמים רבים בחיינו. אם מדענים היו מסוגלים לגלות מוליך-על של טמפרטורת החדר ולחץ זה היה מחולל מהפכה בטכנולוגיה. למרבה הצער, זו הוכחה כמשימה קשה מאוד ואולי היא לא תתאפשר כלל.
מהי מוליכות-על?
מוליך חשמלי הוא חומר שיכול להוליך חשמל. לכל חומר התנגדות חשמלית משלו המהווה מדד להתנגדותו לזרימת זרם חשמלי. חומר בעל התנגדות גבוהה הוא מוליך גרוע ולהיפך.
מוליכות-על היא תופעה בפיזיקה שבה לחומר יש התנגדות חשמלית אפסית. במצב זה, ישנם מספר השפעות מעניינות ושימושיות. מוליך-על שאין לו התנגדות פירושו שניתן להעביר דרכו זרם חשמלי מבלי לאבד אנרגיה או לחמם אותה. זה יכול לאפשר העברה ואחסון אנרגיה יעילים לחלוטין.
מוליכים יכולים גם ליצור מגנטים חזקים במיוחד, דוגמאות לכך ניתן למצוא במכונות MRI ובמאיצי חלקיקים. ניסויים הראו שזרמים חשמליים במגנטים אלה יכולים להימשך שנים ללא כל ירידה מדידה בחוזק. מחקרים מראים כי הזרם יהיה יציב לפחות 100,000 שנים, עם כמה הערכות חוזה שהזרם יוכל להימשך זמן רב יותר מאורך החיים המשוער של ה- עוֹלָם.
כאשר מניחים אותם מעל מגנט, מוליכים יוצרים שדה מגנטי שווה הדוחה את המגנט. זה מאפשר למוליכי-על לרחף בצורה מושלמת מעל או מתחת למגנט או אפילו לאורך מסלול של מגנטים.
דרישות של מוליכות-על
חומר מתחיל להיות מוליך-על רק מתחת לטמפרטורה מסוימת, כאשר ההתנגדות החשמלית שלו יורדת לפתע לאפס. למרבה הצער, כל המוליכים המוכרים הופכים למוליכים רק בטמפרטורות קרות במיוחד. מוליך-על "בטמפרטורה גבוהה" מוגדר כחומר שמתנהג כמוליך מעל הטמפרטורה של חנקן נוזלי (73K או -200°C). הטמפרטורה המדויקת שבה ההתנגדות החשמלית של חומר יורדת לאפס נקראת "טמפרטורה קריטית".
טיפ: יסודות קרים במיוחד בפיזיקה נמדדים בדרך כלל בקלווין (K). קלווין אחד שווה ערך למעלה אחת צלזיוס, אבל סולם קלווין מתחיל באפס מוחלט, או -273.15 מעלות צלזיוס.
מוליך העל בטמפרטורה הגבוהה ביותר שהתגלה, נכון לשנת 2020, הוא Hg12Tl3תוֹאַר רִאשׁוֹן30כ30Cu45O127 בעל טמפרטורה קריטית של 138K או -135°C באטמוספירה אחת של לחץ.
טמפרטורה היא לא הגורם החשוב היחיד במוליכות-על, ללחץ יש גם חלק במספר מוליכים. מימן גופרתי (H2ל-S) טמפרטורה קריטית של 203K בלבד (-70 מעלות צלזיוס), ולנטנום דקהידריד (LAH)10) יש טמפרטורה קריטית של 250K (-23°C). לרוע המזל, החומרים הללו צריכים להיות בלחצים גבוהים להפליא כדי להפוך לעל-מוליכים, עם H2S צריך 986,923 אטמוספרות של לחץ ו-LaH10 צריך 1,677,770 אטמוספרות.
טיפ: לחץ על סולם זה נמדד בדרך כלל ב-GPa או Giga-pascal כאשר המספרים הם 100 GPa ו-170 GPa בהתאמה. כדי לעזור להפוך את הערך הזה ליותר מובן, הוא הוסב לאווירה. אטמוספירה אחת של לחץ היא לחץ האוויר הממוצע בגובה פני הים על פני כדור הארץ. לשם השוואה, הלחץ בנקודה העמוקה ביותר של האוקיינוסים של כדור הארץ, בעומק צ'לנג'ר בתעלת מריאנה, הוא 1,071 אטמוספרות בגובה 10,994 מטר מתחת לפני הים.
שימושים עתידיים פוטנציאליים עבור מוליכים בטמפרטורת החדר
המונח "מוליך-על בטמפרטורת החדר" משמש להתייחס לחומרים עתידיים פוטנציאליים המפגינים מוליכות-על בטמפרטורות מעל 273K או 0°C. כדי להפוך לשימושי במיוחד בעולם האמיתי, החומרים האלה יצטרכו להיות גם מוליכים על או ליד אווירה אחת של לחץ.
מוליך-על בטמפרטורת החדר יעזור לצמצם את בעיות האנרגיה בעולם על ידי חיסול כמעט של האנרגיה החשמלית שאבדה במהלך שידור למרחקים ארוכים דרך קווי חשמל. הם גם יאפשרו מחשבים מהירים יותר והתקני אחסון זיכרון יחד עם חיישנים מדעיים רגישים יותר. זה יהיה הרבה יותר זול להפעיל את המגנטים הסופר חזקים המשמשים במכשירים כמו מאיצי חלקיקים, מכונות MRI, אב טיפוס כורי היתוך גרעיני, ורכבות מגלב, מכיוון שהמגנטים לא ידרשו חנקן נוזלי כדי לקרר את המוליך-העל מספיק כדי עֲבוֹדָה.