הפיזיקה המדהימה של ריחוף קוונטי
- גור זיו
- לפני 6 ימים
- זמן קריאה 8 דקות
מאת: Ethan Siegel
מקור: BigThink
הרעיון של ריחוף מעל פני הקרקע היה חלק מחלומות מדע בדיוני ומדמיונו של האדם מאז ומעולם. אמנם עדיין אין לנו את סקייטבורד המרחף שדמיין הסרט "בחזרה לעתיד", אך יש לנו תופעה אמיתית לגמרי בשם ריחוף קוונטי (quantum levitation), שהיא כמעט באותה רמת פלא. בתנאים המתאימים, חומר מיוחד שנוצר במיוחד יכול להתקרר לטמפרטורות נמוכות במיוחד ולהיות מונח מעל מגנט מסודר באופן נכון - והוא ירחף שם ללא הגבלת זמן. אם תבנו מסילה מגנטית מתאימה, הוא ירחף מעליה או מתחתיה, ואם תתנו לו דחיפה - ובתנאי שאין התנגדות אוויר - הוא יישאר בתנועה לנצח.
אבל רגע - האם תנועה נצחית לא נחשבת בלתי אפשרית בפיזיקה?
נכון שלא ניתן להפר את חוק שימור האנרגיה, שכן הדיסקית המרחפת אינה מייצרת אנרגיה או עבודה חדשה יש מאין, אלא פשוט משמרת את המומנטום שלה ללא הפסדי חיכוך. עם זאת, בהחלט אפשר להקטין את כוחות ההתנגדות בכל מערכת פיזיקלית עד למינימום במקרה של מוליכות-על. סט מסוים של תופעות קוונטיות מאפשר בפועל להתנגדות לרדת עד לאפס, וכך נפתחות הדלתות לשלל תופעות מוזרות - כולל זו שאתם רואים בסרטון הבא - ריחוף קוונטי. הנה הפיזיקה שמאחורי הקסם.
זהו סרטון שכבר בן 14 שנה, שעדיין מצליח להדהים רבים - גם בצפייה השנייה, השלישית או המאה. גם בלי להתעמק בפרטים, אפשר להבחין בכמה דברים בולטים:
החומר המיוחד שמרחף קר מאד, והוא מותיר שובל של אדים מעובים מאחוריו,
הוא יכול לרחף מעל מגנט או מתחתיו - הוא "ננעל" במקום מסוים במרחב,
ואם מניחים אותו על מסילה מגנטית ודוחפים אותו קלות, הוא לא נראה כאילו הוא מאט, גם אחרי זמן רב בתנועה.
זה באמת דבר שנוגד את האינטואיציה. יתרה מזאת - זו לא הדרך שבה פיזיקה קלאסית רגילה עובדת. המגנטים הקבועים שאנו מכירים, מה שמכונה בעולם הפיזיקה פרומגנטים, לא יכולים לרחף כך לעולם. בואו נבין רגע איך מגנטים כאלה עובדים - ואז נשווה אותם לתופעת הריחוף המוזרה שראינו קודם.
כל חומר שאנו מכירים מורכב מאטומים, אשר לעיתים גם יוצרים מולקולות, בהתאם למבנה הפנימי של אותו חומר. כשמפעילים שדה מגנטי חיצוני על חומר כלשהו, האטומים או המולקולות שבו עוברים "מגנטיזציה" פנימית - הם מסתדרים בכיוון של השדה המגנטי החיצוני.
התכונה הייחודית של פרומגנט היא שגם כשמסירים את השדה המגנטי החיצוני, המגנטיזציה הפנימית שלו נשארת. זה מה שהופך אותו למגנט קבוע, ומבדיל אותו משני הסוגים האחרים של חומרים מגנטיים: פאראמגנטיים ודיאמגנטיים. למרות שחומרים פרומגנטיים הם הסוג המוכר ביותר, כמו המגנטים שמדביקים למקרר, רוב החומרים בעולם אינם כאלה. ברוב החומרים, ברגע שהשדה החיצוני מוסר, הם פשוט חוזרים למצב בלתי־ממוגנט.
אז מה בעצם קורה בתוך החומרים שאינם פרומגנטיים כאשר מפעילים עליהם שדה מגנטי חיצוני? בגדול, חומרים כאלה מתחלקים לשני סוגים:
דיאמגנטיים - חומרים שממגנטים את עצמם בכיוון ההפוך לשדה החיצוני,
פאראמגנטיים - חומרים שממגנטים את עצמם באותו כיוון של השדה החיצוני.
כפי שמתברר, כל החומרים בטבע מפגינים תופעות של דיאמגנטיות, אך יש חומרים שהם גם פאראמגנטיים או פרומגנטיים. דיאמגנטיות היא תמיד תופעה חלשה יחסית, ולכן אם החומר מפגין גם פאראמגנטיות או פרומגנטיות, התופעה החזקה יותר תדחוק את החלשה, והתוצאה תהיה מגנטיזציה בכיוון השדה החיצוני, ובמקרה של פרומגנט, היא אף תישאר גם לאחר הסרת השדה.
אז כאשר מפעילים או מבטלים שדה חיצוני - מה שבפועל זהה לפעולה של קירוב או הרחקה של חומר ממגנט קבוע - משתנה רמת המגנטיזציה בתוך החומר. ויש חוק פיזיקלי שמתאר בדיוק מה קורה כשמשתנה השדה המגנטי בתוך חומר מוליך: חוק ההשראה של פאראדיי.
החוק הזה קובע שכאשר משתנה השדה המגנטי בתוך חומר מוליך, נוצר בו זרם חשמלי פנימי. הזרמים הקטנים האלה נקראים זרמי ערבול, ותפקידם להתנגד לשינוי בשדה המגנטי. בטמפרטורות רגילות, זרמי הערבול האלה מחזיקים מעמד לזמן קצר בלבד, מכיוון שהם נתקלים בהתנגדות חשמלית ומתפוגגים במהרה. אבל מה יקרה אם נבטל את ההתנגדות החשמלית לגמרי? מה יקרה אם נוריד אותה לאפס מוחלט?
אמנם זה נשמע מפתיע, אבל ניתן להוריד את ההתנגדות החשמלית של חומר לאפס מוחלט כמעט בכל חומר - כל מה שצריך לעשות הוא לקרר אותו לטמפרטורות נמוכות מספיק. ברגע שחוצים סף קריטי, רוב החומרים משנים את תכונותיהם באופן דרמטי, והופכים לפתע למוליכי-על.
החומרים שאתם רואים מרחפים מעל (או מתחת) למסלולים המגנטיים הם אכן חומרים מיוחדים שמפגינים תכונת מוליכות-על - כלומר, ההתנגדות החשמלית שלהם צונחת לאפס - בטמפרטורות נמוכות, אך לא קפואות במיוחד. עקרונית, כמעט כל חומר מוליך יכול להפוך למוליך-על אם מקררים אותו מספיק, אבל מה שהופך את החומרים הללו למעניינים במיוחד הוא שהם מצליחים להפוך למוליכי-על בטמפרטורה יחסית גבוהה של 77 קלווין - כלומר, בטמפרטורת חנקן נוזלי. הטמפרטורה הקריטית הגבוהה יחסית הזו מאפשרת ליצור מוליכי-על זולים ונגישים, שלא דורשים ציוד קירור אולטרה יקר.
לכל חומר יש טמפרטורה קריטית ייחודית (המסומנת לרוב כ־Tc). כאשר מקררים את החומר מתחת לסף הזה - הוא מאבד כל התנגדות לזרם חשמלי. אבל מה בעצם קורה בפנים? מה הופך חומר פתאום למוליך-על? התשובה היא: הוא דוחה את כל השדה המגנטי מתוכו. זו תופעה הקרויה אפקט מייסנר, ובה הופך חומר מוליך-על לדיאמגנט מושלם - כלומר, חומר שאינו מושפע כלל מהשדה המגנטי החיצוני, ולא מתמגנט כלל.
חומרים כמו אלומיניום, עופרת או כספית מתנהגים בדיוק כך כשהם מקוררים מתחת לטמפרטורה הקריטית שלהם - הם דוחים את כל השדה המגנטי מתוך עצמם. אבל רוב החומרים שבהם משתמשים כיום מוליכי-על אינם יסודות טהורים, אלא תרכובות: תערובות של מספר סוגי אטומים, המאפשרות לחומר לתפקד היטב גם בטמפרטורות נוחות יותר. זה מאפשר לנו ללכת צעד רחוק יותר מאשר פשוט יצירת מוליך-על אחיד.
במקום לייצר מוליך-על מושלם ואחיד, אפשר להחדיר לתוכו אי־אחידות מכוונת - "זיהומים" פנימיים. כאשר מקררים את החומר הזה מתחת לסף הקריטי, רוב השדה המגנטי אכן נדחה - אך באזורי הזיהום, הוא נלכד. וכיוון ששדה מגנטי אינו יכול להיכנס לאזורים מהם הוא נדחה, קווי השדה "נתקעים" בדיוק באזורי הפגמים הללו (אי-השלמויות בגביש) - תופעה הקרויה קיבוע שטף מגנטי (flux pinning).
ה"זיהומים" בתוך החומר, וה"תופעה הנלווית" של קיבוע שטף מגנטי שמתעוררת בעקבותיהם, הם המפתח למה שאנחנו מכנים ריחוף קוונטי מגנטי. באזורים הטהורים של החומר, אלו שבהם יש מוליכות-על אמיתית, השדה המגנטי מורחק לגמרי - בדיוק כפי שמתאר אפקט מייסנר. אבל באזורים ה"פגומים", קווי השדה כן חודרים פנימה - והשינוי הזה יוצר זרמי ערבול בתוך החומר, כפי שתיארנו קודם לכן.
וכאן קבור הסוד האמיתי: זרמי הערבול הם למעשה מטענים חשמליים נעים. במצב רגיל, תנועה של מטענים בתוך חומר נתקלת בהתנגדות - מה שמוביל לאיבוד אנרגיה, חום, והאטה הדרגתית. אבל כאן, בתוך מוליך-על, ההתנגדות היא אפס. וכך, הזרמים האלה לא דועכים, אלא נשמרים לנצח, כל עוד הטמפרטורה נשארת נמוכה מהטמפרטורה הקריטית.
למעשה, מתרחשים כאן שני דברים שונים בשני אזורים שונים:
באזורים הטהורים, השדה נדחה לחלוטין - והחומר מתנהג כמו דיאמגנט מושלם.
באזורים המזוהמים, השדה המגנטי נלכד, מה שגורם להיווצרות זרמי ערבול מתמשכים סביבם.
וזה מה שמביא ליצירת כוח הלכידה שמצמיד את החומר למקומו במרחב וגורם לו לרחף - לא מעל השדה המגנטי, אלא בתוך רשת של קווי שטף מגנטיים שקובעים את מיקומו. אם ננסה להגביר את עוצמת השדה החיצוני, נוכל לגרום להתמוטטות מוליכות-העל. אבל גם כאן יש הבדל חשוב בין שני סוגי מוליכי-על:
במוליכי־על מסוג 1 (Type I superconductors), כל הגברה של השדה מבטלת את המוליכות בכל החומר.
אך במוליכי־על מסוג 2 (Type-II superconductor), רק האזורים המזוהמים נפגעים, ואילו האזורים הטהורים שומרים על מוליכות-העל, ולכן הריחוף ממשיך.
זה בדיוק סוג החומרים שאיתם יוצרים את הריחוף הקוונטי שאנו רואים: מוליכי־על מסוג 2, הפועלים בטמפרטורת חנקן נוזלי (77K), באמצעות שילוב של מגנטים פרמנטיים קבועים ומבנה חומרי מותאם.
כל עוד מתקיים שדה מגנטי חיצוני, שבדרך כלל נוצר באמצעות סדרה של מגנטים פרמננטיים מסודרים בקפידה, מוליך-העל ימשיך לרחף. בפועל, הדבר היחיד שמביא לסיום תופעת הריחוף הקוונטי-מגנטי הוא עלייה בטמפרטורת החומר מעל לטמפרטורת הסף הקריטית שלו. מכאן נולדת מטרה כמעט מיתית - הגביע הקדוש של התחום: אם נוכל ליצור ריחוף קבוע וללא איבוד אנרגיה, ללא צורך בקירור זהו שינוי שיכול להניע מהפכה טכנולוגית בקנה מידה עולמי.
אם נבנה מסילה מגנטית ייעודית, נכין מוליך-על עמוס בזיהומים מבוקרים, נצליח להפעיל אותו בטמפרטורת החדר וניתן לו דחיפה בתוך תא ואקום - הוא ימשיך לנוע ללא הפסקה, ללא איבוד אנרגיה, וללא חיכוך. במילים אחרות: ניצור מכונת תנועה נצחית - כזו שממשיכה לנוע לנצח, בלי להזדקק לדלק, מנוע או תחזוקה.
וזה לא מדע בדיוני - זו פיזיקה קוונטית אמיתית, שממש כבר נוסתה ונחקרה כאן על פני כדור הארץ. בלי התופעות הקוונטיות שמוליכות-על מאפשרות - דבר כזה היה בלתי אפשרי. אבל איתן, כל שנותר הוא לתכנן את הניסוי הנכון, החומר הנכון, והתנאים הנכונים.
וזה גם הדלק לחלום טכנולוגי עצום: דמיינו כבישים הבנויים ממסילות מגנטיות מיוחדות. דמיינו קפסולות, רכבים, ואפילו נעליים, עם מוליכי-על שפועלים בטמפרטורת החדר. ברגע שהמערכת נכנסת לתנועה - אין צורך בדלק, אין איבוד אנרגיה - והיא פשוט ממשיכה לנוע עד שמישהו בולם או מאיץ אותה שוב.
אם נצליח לפתח מוליכי־על מסוג 2 שפועלים גם בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי רגיל, החלום הזה יוכל להפוך למציאות. אם נמדוד את ההתקדמות ביחס לאפס המוחלט (0 קלווין), כבר עברנו יותר מחצי הדרך, עם חומרים מוליכי-על הפועלים סביב 150 קלווין. נכון, בשנים האחרונות הופיעו טענות מפוקפקות על גילוי מוליכי-על בטמפרטורת החדר, אך הן אינן מערערות את הפיזיקה האמיתית והמבוססת של מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות יחסית. המדע כבר קרוב מאוד ליעד, וייתכן שבעתיד הקרוב נזכה לראות את הגביע הקדוש של פיזיקת הטמפרטורות הנמוכות מתגשם.
תגובות