תמונה של גביש מיאסיט שגדל על ידי פול קנפילד. קרדיט: משרד האנרגיה של ארה"ב, המעבדה הלאומית של איימס
מדענים במעבדה הלאומית של איימס גילו מיאסיט, מינרל טבעי שהוא מוליך-על לא שגרתי, מאתגר את האמונות הקודמות ומקדם את ההבנה שלנו לגבי מוליכות-על לטכנולוגיה עתידית.
מדענים מהמעבדה הלאומית של איימס זיהו את מוליך העל הלא שגרתי הראשון עם הרכב כימי שנמצא גם בטבע. מיאסייט הוא אחד מארבעת המינרלים היחידים המצויים בטבע, הפועלים כמוליך-על כאשר הם גדלים במעבדה.
חקירת המיאסייט של הצוות העלתה כי מדובר במוליך-על לא שגרתי בעל תכונות דומות למוליכי-על בטמפרטורה גבוהה. הממצאים שלהם מרחיבים את הבנתם של המדענים לגבי מוליכות-על מסוג זה, מה שעלול להוביל לטכנולוגיה מבוססת מוליכים-על בת-קיימא וחסכונית יותר בעתיד.
הבנת מוליכות-על
מוליכות-על היא כאשר חומר יכול להוליך חשמל ללא אובדן אנרגיה. למוליכים יש יישומים הכוללים מכונות MRI רפואיות, כבלי חשמל ומחשבים קוונטיים. מוליכים קונבנציונליים מובנים היטב אך יש להם טמפרטורות קריטיות נמוכות. הטמפרטורה הקריטית היא הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה חומר פועל כמוליך-על.
בשנות ה-80, מדענים גילו מוליכים לא שגרתיים, שלרבים מהם יש טמפרטורות קריטיות גבוהות בהרבה. לדברי רוסלן פרוזורוב, מדען במעבדת איימס, כל החומרים הללו גדלים במעבדה. עובדה זו הובילה לאמונה הכללית שמוליכות-על לא שגרתית אינה תופעה טבעית.
התרחשות טבעית
פרוזורוב הסביר שקשה למצוא מוליכים בטבע מכיוון שרוב היסודות והתרכובות המוליכות-על הם מתכות ונוטים להגיב עם יסודות אחרים, כמו חמצן. הוא אמר שהמיאסיט (Rh17ס15) הוא מינרל מעניין מכמה סיבות, אחת מהן היא הנוסחה הכימית המורכבת שלו. "אינטואיטיבית, אתה חושב שזה משהו שנוצר בכוונה במהלך חיפוש ממוקד, והוא לא יכול להתקיים בטבע", אמר פרוזורוב, "אבל מסתבר שכן."
לפול קנפילד, פרופסור מכובד לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת איווה סטייט ומדען במעבדת איימס, יש מומחיות בתכנון, גילוי, צמיחה ואפיון של חומרים גבישיים חדשים. הוא סינתז גבישי מיאסיט באיכות גבוהה עבור הפרויקט הזה. "למרות שהמיאסיט הוא מינרל שהתגלה ליד נהר המיאס במחוז צ'ליאבינסק, רוסיה", אמר קנפילד, "זהו מינרל נדיר שבדרך כלל אינו גדל כמו גבישים מעוצבים היטב".
גידול גבישי המיאסיט היה חלק ממאמץ גדול יותר לגלות תרכובות המשלבות יסודות נמסים גבוהים מאוד (כמו Rh) ואלמנטים נדיפים (כמו S). "בניגוד לאופי היסודות הטהורים, אנו שולטים בשימוש בתערובות של אלמנטים אלה המאפשרים צמיחה בטמפרטורה נמוכה של גבישים עם לחץ אדים מינימלי", אמר קנפילד. "זה כמו למצוא בור דייג נסתר שכולו דגים גדולים ושמנים. במערכת Rh-S גילינו שלושה מוליכים חדשים. ובאמצעות המדידות המפורטות של רוסלן, גילינו שהמיאסייט הוא מוליך-על לא שגרתי".
טכניקות וממצאים מתקדמות
הקבוצה של פרוזורוב מתמחה בטכניקות מתקדמות לחקר מוליכים בטמפרטורות נמוכות. הוא אמר שהחומר צריך להיות קר עד 50 מיליקלווין, שזה בערך -460 מעלות פרנהייט.
הצוות של פרוזורוב השתמש בשלושה מבחנים שונים כדי לקבוע את אופי המוליכות העל של מיאסייט. המבחן העיקרי נקרא "עומק החדירה של לונדון". הוא קובע עד כמה שדה מגנטי חלש יכול לחדור לחלק הארי של מוליך-העל מפני השטח. במוליך-על קונבנציונלי, אורך זה הוא ביסודו קבוע בטמפרטורה נמוכה. עם זאת, במוליכי-על לא שגרתיים, זה משתנה ליניארי עם הטמפרטורה. בדיקה זו הראתה שמיאסייט מתנהג כמוליך-על לא שגרתי.
בדיקה נוספת שהצוות ביצע הייתה החדרת פגמים לחומר. פרוזורוב אמר שהבדיקה הזו היא טכניקת חתימה שהצוות שלו השתמש בעשור האחרון. זה כרוך בהפצצת החומר עם אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. תהליך זה דופק יונים ממקומם, ובכך יוצר פגמים במבנה הגבישי. הפרעה זו עלולה לגרום לשינויים בטמפרטורה הקריטית של החומר.
מוליכי-על קונבנציונליים אינם רגישים להפרעה לא-מגנטית, ולכן בדיקה זו תראה ללא או מעט מאוד שינוי בטמפרטורה הקריטית. למוליכי-על לא שגרתיים יש רגישות גבוהה לאי-סדר, והחדרת פגמים משנה או מדכאת את הטמפרטורה הקריטית. זה משפיע גם על השדה המגנטי הקריטי של החומר. ב-miassite, הצוות מצא שגם הטמפרטורה הקריטית וגם השדה המגנטי הקריטי התנהגו כפי שנחזה במוליכי-על לא שגרתיים.
חקירת מוליכים לא שגרתיים משפרת את הבנת המדענים כיצד הם פועלים. פרוזורוב הסביר שזה חשוב מכיוון ש"חשיפת המנגנונים מאחורי מוליכות-על לא קונבנציונלית היא המפתח ליישומים תקינים מבחינה כלכלית של מוליכים".
עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע של DOE (המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים) והשתמשו במשאבים של מקור הפוטון המתקדם, מתקן משתמש של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE).
