...

Squid אובמ ת טרוא

by user

on
Category: Documents
29

views

Report

Comments

Transcript

Squid אובמ ת טרוא
‫מבוא תאורטי ל‪Squid‬‬
‫א‪.‬מוליכות‪-‬על‬
‫מוליכות על התגלתה לראשונה ב‪ 1711-‬ע"י קמרלינג אונס בהולנד במהלך מחקר שמטרתו היתה ללמוד את‬
‫המאפיינים של ההתנגדות של כספית קפואה כפונקציה של הטמפרטורה‪(.‬למעשה הניסוי הספצפי בוצע ע"י‬
‫הסטודנט שלו גילס הולסט )‪ .‬אונס היה הראשון שהצליח לנזל הליום (‪ )1796‬וזה למעשה מה שאפשר לו לבצע‬
‫מדידות בטמפרטורת כל כך נמוכות‪ .‬במהלך הקירור של כספית לטמפרטורה של הליום נוזלי הוא גילה כי‬
‫ההתנגדות החשמלית נעלמת לגמרי באיזור הטמפרטורה של ‪ . 2 K‬ב‪ 1711-‬קיבל אונס פרס נובל על הצלחתו‬
‫לנזל הליום ועל גילוי העל מוליכות‪.‬‬
‫מאז הגילוי של מוליכות‪-‬על בכספית נתגלו עוד ועוד חומרים בהם ניתן להבחין בתופעת העל מוליכות כיום‬
‫ידועים מעל לאלף חומרים בינהם כשלושים יסודות כימיים בהם ניתן לחזות בתופעה בטמפרטורות נמוכות מ‪-‬‬
‫‪ . 09K‬במהלך ‪ 19‬השנים האחרונות נתגלו חומרים חדשים חלקם מוליכים גרועים בטמפרטורת החדר‬
‫שמתפקדים כמוליכי‪-‬על בטמפרטורות של חנקן נוזלי (‪ .)55K‬לכן ניתן לומר שעל מוליכות איננה עוד תופעה‬
‫פיזיקלית נדירה כי אם התנהגות די מצויה שקיימת בחומרים מסויימים‪.‬‬
‫מוליכות על היא תופעה בעלת חשיבות ושימוש בתחומים רבים בינהם הדמיה מגנטית (‪ ,)MRI‬יצירת מגנטים‬
‫במאיצי חלקיקים המשמשים לכיפוף קרן החלקיקים כמו למשל במאיץ ב‪,CERN‬מסנני ‪ MW‬המשמשים‬
‫לתקשורת סלולרית‪ .‬חיישנים רגישים במיוחד‪,‬ייצור איחסון והעברת אנרגיה‪,‬רכבות המבוססות על רחיפה‬
‫מגנטית מחשבי על‪,‬מגבילי זרם במקרה של תקלה‪ ,‬סטנדרטים של מטרולוגיה ושימושים רבים אחרים‪.‬‬
‫התנגדות אפסית היא כמובן מאפיין הכרחי של על מוליכות‪ ,‬על כל פנים קיימים מאפיינים אחרים שמבדילים‬
‫בין מוליכות על לבין מה שמכונה מוליך אידאלי (מוליך שהמאפיין היחיד שלו היא שההתנגדות שלו היא אפס) ‪.‬‬
‫הטמפרטורה מתחתיה הדגם הוא מוליך‪-‬על (בהעדר שדה מגנטי) מכונה הטמפרטורה הקריטית ומסומנת ‪. Tc‬‬
‫עבור כל טמפרטורה ‪ T < Tc‬קיים שדה מגנטי מינימאלי )‪ Hc(T‬שאם יפעל על הדגם יהרוס את מוליכות העל‬
‫של הדגם‪ .‬שדה זה מכונה השדה הקריטי‪ .‬במילים אחרות מוליכות על יכולה לההרס כתוצאה מטמפרטורה‬
‫‪ T > Tc‬הגבוהה מהטמפרטורה הקריטית או כתוצאה משדה מגנטי חיצוני הגבוהה מהשדה הקריטי ‪.H > Hc‬‬
‫דיאגרמת הפאזות של על מוליכות במישור ‪ .T-H‬נתונה ע"י הנוסחה הניסיונית‬
‫]‪Hc(T)/ Hc(0)=[1-(T/Tc)2‬‬
‫איור‪ :1‬שדה מגנטי קריטי כתלות בטמפרטורה‬
‫ב‪ .‬מוליך אידאלי לעומת על מוליך‪.‬אפקט מייזנר‪.‬‬
‫שדה חשמלי ‪ E‬בתוככי מוליך רגיל יגרום לצפיפות זרם ‪ J‬במוליך‪ .‬ב ‪ steady state-‬מתקיים ‪ . J = E‬כאשר‬
‫‪ ‬היא המוליכות החשמלית‪ .‬במתכות נשאי המטען הם האלקטרונים ובטמפרטורה קבועה ‪ ‬הוא קבוע‬
‫אופייני למתכת‪ .‬בנסיבות האלה הקשר בין ‪ ‬ל‪ E-‬מכונה "חוק אוהם"‪ .‬חומר בו ‪ ‬מתקיים חוק זה מכונה‬
‫מוליך אוהמי‪.‬‬
‫ההתנגדות במוליך אוהמי נובעת מהתנגשותם של האלקטרונים נשאי המטען בזיהומים ‪,‬בפגמים‪ ,‬ובשינויים‬
‫בסדר הגביש שנגרמו כתוצאה מתזוזה של האטומים מנקודת שיווי המשקל שלהם (תזוזה זו של האטומים‬
‫מנקודת שיווי המשקל היא תוצאה של הטמפרטורה)‪ .‬בעיקרון אם לא היו שום פגמים במוליך המוליכות של‬
‫החומר הייתה אינסופית‪ .‬למרות שלא קיים במציאות חומר שכזה מעניין לחקור את ההתנהגות המצופה‬
‫ממוליך אידאלי שכזה ע"פ תורת האלקטרומגנטיות והמכניקה הקלאסית‪.‬‬
‫נדמיין לעצמנו מוליך אידאלי בנוכחות שדה מגנטי משתנה‪ .‬מהחוק השני של ניוטון נובע שאלקטרון בתוך‬
‫המוליך חייב לקיים ‪ eE = ma‬כאשר ‪ a=dv/dt‬ו‪ e -‬הוא מטען האלקטרון‪ .‬הגדרת צפיפות הזרם לכן היא‬
‫‪ J = nev‬כאשר ‪ n‬היא צפיפות האלקטרונים המוליכים‪ .‬נוכל לכן להסיק כי עבור אלקטרונים במוליך אידיאלי‬
‫מתקיים ‪ . E = m /ne2.‬נוח לרשום תוצאה זו בצורה הבאה ‪ . E = .‬כאשר‬
‫)‪(1‬‬
‫ממשוואות מקסוול‬
‫‪mne2‬‬
‫נקבל עבור מוליך אידאלי‪.‬‬
‫)‪(2‬‬
‫‪=  ∂B/∂t‬‬
‫‪curl‬‬
‫נזכר בחוק אמפר (המתוקן) ‪ . curl B = J +1/c2∂E/∂t‬נניח שהתהליכים בהם אנו דנים קורים לאט זאת‬
‫אומרת נניח כי זרם ההעתקה ‪ 1/c2∂E/∂t‬ניתן להזנחה‪,‬נציב את ‪ J‬במשוואה (‪ .)0‬נקבל כעת‬
‫‪curl (curl ∂B/∂t) =  ∂B/∂t,‬‬
‫ונזכור את חוק גאוס‬
‫נשתמש בזהות הווקטורית ‪A‬‬
‫‪ .‬נוכל כעת‬
‫לקבל ‪ 2∂B/∂t = ∂B/∂t‬הפתרון למשוואה (במקרה חד ממדי בו חצי המרחב ‪ 9>Z‬הוא מוליך אידאלי ) הוא‬
‫)‪.∂B(z)/∂t = ∂B(0)/∂t exp(z/‬‬
‫לכן השינוי בשטף המגנטי כפונקציה של הזמן‪ ∂B/∂t ,‬קטן אקספוננציאלי ככל שנכנסים לתוך המוליך‬
‫האידאלי ולמעשה ‪ ∂B(z,t)/∂t‬שואף לאפס מעומק אופייני ‪ .‬נניח וקיים שדה בתוך המוליך ואז הופך המוליך‬
‫למוליך אידאלי‪ .‬היות והשדה בתוך המוליך האידאלי לא משתנה בזמן נצפה כי השדה המגנטי בתוך המוליך‬
‫האידאלי ישאר קבוע ללא קשר למתרחש על שפת המוליך האידאלי‪ .‬אם ננסה לשנות את השדה המגנטי בתוך‬
‫המוליך האידאלי ע" י הפעלת שדה מגנטי חיצוני יווצרו זרמים על שפת המוליך האידאלי בעוצמה וכיוונים‬
‫כאלה כך שהשדה המגנטי בתוך המוליך האידאלי ישאר קבוע בעומק ‪. ‬ניתן לחשוב על התופעה הזו כעל‬
‫מקרה קיצוני של חוק לנץ‪.‬אם כמות האלקטרונים היא במוליך האידאלי זהים במספרם למשל לנחושת (זאת‬
‫אומרת אלקטרון מכל אטום) ‪ ‬תהיה מסדר גודל של ‪ .19nm‬שדה מגנטי יוכל להתקיים בתוך מוליך אידאלי‬
‫בתנאי שהשדה היה קיים לפני שהחומר הפך למוליך אידיאלי אחרי שהחומר הפך למוליך אידיאלי השדה‬
‫המגנטי בתוכו לא יכול להשתנות‪ .‬זו היתה די הפתעה כשמייזנר ואושנפלד הראו נסיונית ב‪ 1711-‬שהמקרה של‬
‫מוליך על שונה מהמקרה של מוליך אידיאלי‪ .‬מייזנר ואושנפלד הפעילו שדה חיצוני בזמן שהעל מוליך היה‬
‫בפאזה הנורמלית ואז קיררו אותו והפכו אותו למוליך על ‪ .‬אם העל‪-‬מוליך היה מתנהג כמו מוליך אידאלי‬
‫השדה המגנטי בתוכו היה אמור לקפוא ולהשאר אותו שדה מגנטי שהופעל עליו בזמן שהדגם היה במצב‬
‫נורמלי‪ .‬מה שקרה בפועל בניסוי היה שהשדה המגנטי בתוך הדגם נשאר תמיד אפס‪ .‬זאת אומרת בתוך העל‬
‫מוליך ‪ B = 0‬במקום ‪ ∂B/∂t = 0‬כפי שציפו ממוליך אידאלי‪ .‬אפקט זה מכונה אפקט מייזנר‪ .‬קצת אחרי גילוי‬
‫אפקט מייזנר הציעו האחים פריץ והיינץ לונדון תיאור פנומנולוגי של התופעה ]‪ . [1‬הם הציעו כי במקרה של‬
‫מוליך על במקום משוואה (‪=  ∂B/∂t )0‬‬
‫‪ curl‬מתקיים במוליך על הקשר‬
‫‪curl J =  B‬‬
‫)‪(3‬‬
‫משוואה זו מכונה משוואת לונדון השנייה‪ 1‬אם נמשיך כמו מקודם בדיוק באותו אופן בו פתרנו למוליך אידאלי‬
‫עבור ‪ ∂B/∂t‬רק הפעם עבור השדה המגנטי עצמו‪.‬נוכל לקבל עבור מוליך‪-‬על הממלא את המרחב חצי המרחב בו‬
‫‪ .z>0‬נקבל כי השדה המגנטי יורד אקספוננציאלית ככל שמתקדמים לתוככי העל מוליך כפי שניתן לראות‬
‫במשוואה (‪.)2‬‬
‫)‪B(z)= B(0)exp(z/L) (4‬‬
‫‪( 1‬משוואת לונדון הראשונה היא המשוואה ‪) E = .‬‬
‫משוואה (‪ )2‬מלמדת אותנו כי ‪ B = 0‬עבור עומקים גדולים מ‪L . L-‬מכונה ‪.London penetration depth‬‬
‫תוצאה זו מתיישבת עם התוצאות הנסיוניות של מייזנר ואושנפלד‪ .‬נוכל כעת לחשוב על מוליך‪-‬על כעל חומר‬
‫דיאמגנטי מושלם‪ .‬הדלקת שדה מגנטי בו גורמת לזרמים הזורמים ללא התנגדות ומסככים את תוככי מוליך‬
‫העל‪ .‬ניסויים הראו את האוניברסליות של משוואות לונדון‪ L .‬שונה בערכו מ‪ -‬שתואר עבור מוליך אידאלי‬
‫היות והצפיפות של נשאי המטען במוליך על קטנה משמעותית מצפיפות נשאי המטען במוליך רגיל‪L .‬משתנה‬
‫מחומר לחומר ותלוי בטמפרטורה‪ .‬למשל בטמפרטורה שהיא חצי הטמפרטורה הקריטית של אלומיניום ‪ L‬של‬
‫אלומניום הוא כ‪ 399-‬אנגסטרם ‪ .‬בטמפרטורה שהיא חצי הטמפרטורה הקריטית של קדיום ‪ L‬של קדיום הוא‬
‫כ‪ 1199-‬אנגסטרם‪.‬‬
‫ראוי לציין מספר השלכות של אפקט מייזנר‪ .‬נתבונן בגליל של מוליך‪-‬על מעל הטמפרטורה הקריטית החומר‬
‫מתנהג כמו מוליך נורמלי נפעיל כעת שדה מגנטי ‪ B‬השדה המגנטי יחדור במלואו לתוך החומר‪ .‬אם כעת נוריד‬
‫את הטמפרטורה השדה המגנטי חייב להעלם דבר זה מחייב היווצרות של זרמים על השפה כך שהזרמים על‬
‫השפה בדיוק יבטלו את השדה המגנטי שמנסה ליצור השדה החיצוני בתוך העל מוליך‪ .‬זרם בסליל אינסופי‬
‫מייצר שדה מגנטי בתוך הסליל שכיוונו מקביל לציר הסליל אך לא מייצר שדה מגנטי מחוץ לסליל‪ .‬במקרה של‬
‫גליל על מוליך הזרם זורם על שפת הגליל בשכבה שעומקה ‪ .L‬כל שינוי בשדה המגנטי החיצוני גורר שינוי‬
‫בזרמים על שפת מוליך‪-‬העל שמטרתם לדאוג שהשדה לא יחדור לתוך העל‪-‬מוליך ‪.‬אם במקום לעבור לפאזה על‬
‫מוליכה היה הגליל עובר לפאזה של מוליכות אידאלית התוצאות היו שונות לגמרי‪ .‬מה שהיה קורה הוא שבזמן‬
‫מעבר הפאזה (השדה החיצוני באותו זמן היה קבוע) השדה בתוככי הגליל לא היה משתנה ‪ .‬אם לאחר מכן היינו‬
‫מכבים את השדה המגנטי החיצוני היה נוצר זרם על שפת הגליל (בהתאם לחוק פארדי) כך שישמור על השדה‬
‫המגנטי הפנימי קבוע‪.‬‬
‫נתבונן במקרה אחר ‪.‬ניקח גלילי חלול מחומר שמתנהג כמוליך‪-‬על בטמפרטורות הנמוכות מ‪ . Tc-‬שוב נפעיל‬
‫שדה מגנטי חיצוני כאשר הטמפרטורה היא מעל‪ Tc -‬נוריד את הטמפרטורה כאשר השדה עדיין מופעל‪ .‬הדבר‬
‫יגרום לזרמים על שפת העל מוליך בעובי ‪ L‬כמו מקודם שיגרמו לשדה מגנטי אפס בתוך העל מוליך‪ .‬הזרם על‬
‫השפה החיצונית של מוליך העל לבדו יגרור ביטול השדה גם בחלל בתוככי הגליל (שם אין מוליך‪-‬על)‪ .‬אך חוק‬
‫פארדי דורש שהשדה המגנטי בחלל ישאר ללא שינוי‪ .‬לכן מוכרחים להיווצר זרמים על השפה הפנימית של‬
‫הגליל שבעצם ייצרו מחדש את השדה בחלל בו לא קיים על מוליך‪.‬זאת אומרת יווצר זרם על השפה הפנימית‬
‫הפוך בכיוונו לזרם הזורם על השפה החיצונית כך שבסופו של דבר השדה המגנטי בחלל הפנימי לא משתנה‪.‬‬
‫זוהי בדיוק ההתנהגות שהיינו מצפים מגליל חלול בעל דיאמגנטיות מושלמת‪ .‬אם כעת נכבה את השדה המגנטי‬
‫החיצוני הזרם על השפה החיצונית יפסיק (כדי שלא לייצר שדה מגנטי בתוך העל מוליך)‪ .‬לעומת זאת הזרם על‬
‫השפה הפנימית (שאיננו יוצר שום שדה מגנטי בעל מוליך) ישאר ללא שינוי‪ .‬זאת אומרת בטבעת העל מוליכה‬
‫יזרום זרם (ללא דיסיפציה כי הרי מדובר במוליך‪-‬על ולכן ימשיך לזרום שם ללא הגבלת זמן כל עוד הטבעת‬
‫היא על מוליכה)‪ .‬כתוצאה מזרם זה יהיה כלוא שטף מגנטי בחלל שבתוך הצילינדר זאת אומרת יווצר מגנט‬
‫קבוע‪ .‬שדה מגנטי שכזה מכונה ‪ .frozen-in-flux‬הפעלה מחדש של השדה החיצוני שוב תשרה זרם חיצוני אבל‬
‫לא תשנה את השדה הפנימי בתוך הצילינדר‪ .‬נשים לב לעובדה שקווי השדה המגנטי לא יכולים לחדור לתוך‬
‫הטבעת העל מוליכה‪.‬‬
‫במבט ראשון היה ניתן לחשוב שהשדה הכלוא בטבעת על מוליכה יכול לקבל כל ערך שרירותי‪ .‬למעשה מספר‬
‫ניסויים (משנת ‪ )1741‬הוכיחו נסיונית כי השטף המגנטי בטבעת על מוליכה יכול לקבל רק ערכים שהם כפולה‬
‫שלימה של ‪ .0 = 2.07xl0-15 Tm2‬כאשר ‪ h( 0 = h/2e‬הוא קבוע פלאנק ו‪ e-‬הוא מטען האלקטרון)‪0.‬‬
‫מכונה פלאקסון או יחידת השטף המגנטי הקוונטית ‪.magnetic flux quantum‬‬
‫באופן כללי שטף מגנטי דרך כל משטח שאיננו קשיר בצורה פשוטה ‪ 2‬מקוונט כך שיתקיים ‪  = n0‬כאשר‬
‫‪.n=1,2,3..‬‬
‫תיאור מיקרוסקופי של מוליכות על –‪BCS‬‬
‫משוואות לונדון אינן תיאור של הפיזיקה היסודית של על מוליכות‪.‬למעשה הן לקחו תוצאות נסיוניות מאפקט‬
‫מייזנר ותירגמו אותם לאילוצים על האלקטרודינימקה הקלאסית ללא הבנה עמוקה של הפיזיקה‪.‬‬
‫על כל פנים בסופו של דבר אחר כתיבת התיאוריה המלאה (הכוללת תיאור מיקרוסקופי של התופעה) ע"י קופר‬
‫ברנדן ושרייפר ‪ BCS‬עליה הם קיבלו פרס נובל ב‪ .1750-‬נמצא שמשוואות לונדון נגזרות גם מתוך התיאור‬
‫המיקרוסקופי‪.‬דיון מלא בתיאוריית ‪ BCS‬הוא מעבר למטרות המוגדרות של הקדמה זו אבל ניתן למצוא חומר‬
‫עליה במקורות [‪.]31,0,1‬‬
‫לפי התיאוריה (‪ )BCS‬אינטראקציה בין אלקטרונים לפונונים (פונונים הם מודים של תנודות בגביש) מסוגלת‬
‫ליצור הפחתה של הדחייה הקולומבית בין שני אלקטרונים אשר מספיקה בטמפרטורות נמוכות ליצור משיכה‬
‫ארוכת טווח בין שני אלקטרונים‪ .‬משיכה זו בין שני אלקטרונים יוצרת זוגות קשורים של אלקטרונים‬
‫מרוחקים בעלי תנע וספין השווים בגודלם והפוכים בכיוונם‪ .‬זוגות אלא מכונים זוגות קופר והם נשאי המטען‬
‫‪2‬‬
‫קשיר בצורה פשוטה אומר שכל מסלול סגור שרירותית ניתן לכיווץ לנקודה‪ .‬לכן טבעת איננה גוף קשיר בצורה פשוטה‪.‬‬
‫‪3‬‬
‫נדרש ידע בסיסי בקוונטים‪.‬‬
‫של הזרם העל מוליך‪ .‬זוגות קופר הינם בוזונים‪ 4‬בהיותם בוזונים ולא פרמיונים כמו אלקטרונים ניתן לאכלס‬
‫את אותה רמת אנרגיה ביותר מבוזון אחד ‪ .‬בטמפרטורות נמוכות זוגות קופר עוברים תהליך בו עוד ועוד זוגות‬
‫מאכלסות את רמת היסוד ‪ .‬התהליך מכונה התעבות בוזה איינשטיין‪ .‬היות והעברת תנע לפונונים זיהומים‬
‫ודפקטים בגביש (ההתנגשויות האלה הן האחראיות ליצירת התנגדות) תגרום ליציאה ממצב ההתעבות ויציאה‬
‫שכזו לא משתלמת אנרגטית‪ .‬לא תתרחש העברת תנע וממילא לא תיווצר התנגדות‪.‬‬
‫ההרס של מוליכות העל מעל הטמפרטורה הקריטית נובע מהשבירה של זוגות קופר לשני קוואזי‪-‬חלקיקים לכן‬
‫הטמפרטורה הקריטית ‪ Tc‬היא מדד לאנרגית הקשר בין שני האלקטרונים היוצרים זוג קופר אחד‪ .‬אחת‬
‫מתחזיות המפתח של תיאורית ‪ BCS‬היתה שאנרגיה מינימלית )‪ Eg = 2(T‬תדרש כדי לשבור זוג קופר תוך‬
‫כדי יצירת שני ערעורים של קוואזי‪-‬חלקיקים‪ .‬התיאוריה צפתה שפער האנרגיה )‪ (T‬צפוי לעלות מאפס עבור‬
‫‪ T=Tc‬ועד ערך מקסימלי מסויים ‪ Eg(0) = 2(0) = 3.528kTc‬עבור ‪ . Tc>>T‬התחזית הזו התאימה‬
‫למדידות נסיונית של פער האנרגיה וסיפקה את את ההוכחות המוקדמות המכריעות לנכונותה של התיאוריה‪.‬‬
‫‪ BCS‬ה מבוססת על עקרונות של מכניקת הקוונטים ופיזיקה סטטיסטית היא תיאוריה יסודית המסבירה את‬
‫כל התופעות הנצפות במוליכי על בעלי טמפרטורה קריטית נמוכה ( עד ‪.)25K‬‬
‫מוליכות‪-‬על בטמפרטורות גבוהות‪.‬‬
‫תיאוריית ‪ BCS‬הובילה למסקנה ש‪ Tc-‬מוגבלת ע"י תדירות הפונונים המקסימלית המסוגלת להתקיים‬
‫בחומר‪ .5‬מזה ניתן היה להסיק כי אין לצפות למוליכות על בטמפרטורות הגבוהות מ‪ 03-‬קלווין‪ .‬ב‪ 1764-‬עולם‬
‫הפיזיקה נדהם כאשר בדנרווץ ומולר ממעבדות ‪ IBM‬בשוויץ דיווחו כי כי מצאו על מוליכות בטמפרטורה של‬
‫‪ 40K‬בדגמים של ‪ La-Ba-Cu-0‬בריכוזים שונים‪ .‬זה היה עוד יותר מפתיע כי בטמפרטורת החדר הדגמים‬
‫הקרמיים הללו הם מוליכים גרועים‪ .‬תגלית זו זיכתה את בדנרוץ ומולר בפרס נובל לפיזיקה יצרה גל של‬
‫מחקרים נסיוניים בחיפוש אחר מוליכי על בטמפרטורות גבוהות‪ ,‬וגל של מחקרים תיאורטים שניסו להבין את‬
‫המנגנון העומד מאחורי מוליכות העל בטמפרטורות גבוהות‪ .‬מאז דווח על דגמים של ‪ Y-Ba-Cu-0‬בהם נצפתה‬
‫על מוליכות בטמפרטורה של ‪ . 90K‬מעבר לנקודת הרתיחה של חנקן נוזלי (שהוא זול בהרבה וקל ליצור ותפעול‬
‫מהליום נוזלי)‪ .‬דבר זה הוליד שפע של ספקולציות בקשר לשימושים החדשים שניתן יהיה לעשות במוליכי‪-‬על‪.‬‬
‫מספר מאמרים בשנות השמונים המאוחרות התחילו אפילו לדבר על מהפכה טכנולוגית הצפויה להתרחש‬
‫‪4‬‬
‫בוזונים הינם חלקיקים קוונטים בעלי ספין שלם שבניגוד לפרמיונים (שהם חלקיקים קוונטים בעלי ספין חצי שלם) לא‬
‫מקיימים את חוק האיסור של פאולי ולכן ניתן לאכלס יותר מבוזון אחד באותה רמת אנרגיה‪.‬‬
‫‪5‬‬
‫אם נזכור שפונון הוא תנודה בגביש וכי לכל תנודה יש אורך גל הקטן ככל שהתדר עולה ברור שאורך גל הקטן מהמרחק בין‬
‫שני אטומים בגביש הוא חסר משמעות וממילא ישנו חסם על התדרים האפשריים בגביש‪.‬‬
‫בעקבות התגליות‪ .‬מאז התגלו סממנים של על מוליכות בטמפרטורות גבוהות יותר כרגע השיא הוא של‬
‫‪ HgBa2Ca2Cu3Ox.‬בו נחזתה על מוליכות בטמפרטורה של ‪. 135 K‬‬
‫אחת המטרות של מחקרים אלו היא‬
‫למצוא מוליכות ‪-‬על בטמפרטורת החדר על כל פנים בעקבות מספר הודעות קודמות על מציאת על‪-‬מוליכות‬
‫בטמפרטורת החדר שהתבררו בסופו של דבר כלא נכונות פיזיקאים מתייחסים בחשדנות מוגברת לטענות בדבר‬
‫על‪-‬מוליכות בטמפרטורת החדר‪ .‬במרץ ‪ 0911‬דווח כי בתרכובות מלאכותית ‪ (Tl5Pb2)Ba2MgCu10O17+‬נצפתה‬
‫מוליכות‪-‬על בטמפרטורה הקרובה ל‪-‬‬
‫התנגדות נצפה בטמפרטורה של‬
‫מעלות צלזסיוס (אפקט מייזנר קרוב ל‪-‬‬
‫מעלות צלזיוס והעדר‬
‫)‪ .‬על כל פנים החומר רחוק מלהיות מתאים לכל שימוש מעשי היות‬
‫והפאזה העל‪-‬מוליכה מתקיימת רק ב‪ 1%-‬מהחומר‪.‬‬
‫מאז גילוי מוליכות העל בטמפרטורות גבוהות נעשו מספר רב של ניסויים במטרה להבין מה המנגנון שיוצר את‬
‫זוגות הקופר בטמפרטורות גבוהות ומספר כיוונים תיאורטיים נחקרו‪.‬אף אחד מהם לא נתן הסבר מלא‬
‫המקובל על כל הקהילה המדעית‬
‫מצבים קוונטים מקרוסקופים‪,‬קוינטוט ושטף מגנטי‬
‫מספר מאפיינים יסודים של מוליכות על כמו העדר התנגדות לזרם ישר‪ ,‬אפקט מייזנר והאופי התרמודינמי של‬
‫המעברים נראים בלתי קשורים מנקודת המבט של הפיזיקה הקלאסית‪ .‬יש מקום לכן לשאול מאיזו תכונה של‬
‫החומר נגזרות התכונות האוניברסליות של מוליכות העל‪ .‬פריץ לונדון גילה את התשובה ב‪ 1713-‬וב‪1726-‬‬
‫הצליח להראות שאם נשאי המטען במוליכי על הם ישויות קוונטיות ניתן לגזור את משוואות לונדון מתכונות‬
‫יותר יסודיות של החומר‪ .‬התפתחות זו התאפשרה מההבנה של לונדון שמוליכות על היא תופעה קוונטית‬
‫המופיעה בסקאלות מקרוסקופיות‪ .‬החוקים של מכניקת הקוונטים קובעים כי אלקטרונים מתנהגים במובן‬
‫מסויים כמו גלים ושהמאפיינים של האלקטרונים ניתנים להצגה ע"י מה שמכונה פונקציית גל‪ .‬אם קיימות‬
‫מספר פונקציות גל בעלות אותה פאזה (זאת אומרת פועלות יחד) אומרים שהמצב הוא מצב קוהרנטי‪.‬‬
‫התיאוריה של מוליכות על אומרת שקיימת פונקצית גל יחידה קוהרנטית שקובעת את ההתנהגות של כל נשאי‬
‫המטען המשתתפים באינטראקציה העל מוליכה‪.‬זוהי אמירה שנובעת מהבנה עמוקה של המצב הקוונטי‪.‬‬
‫למרות שמכניקת הקוונטים החליפה את המכניקה הניוטונית בהיותה תיאוריה פיזקאלית יותר נכונה‪ .‬בד"כ‬
‫בסקאלות מקרוסקופיות (סקאלות גדולות מהסקאלה האטומית) הפיזיקה מתוארת היטב ע"י המכניקה‬
‫הניוטונית שלרוב קלה יותר לחישוב‪ .‬מוליכות על היא במידה מרובה דומה לאור קוהרנטי של לייזר שלמרות‬
‫היותם גדלים מקרוסקופים לא ניתנים לתיאור ע"י מכניקה ניוטונית לבדה‪ .‬למעשה זה נובע בדיוק מכך‬
‫שמוליכות‪-‬על היא תופעה קוונטית שניתנת להבחנה בסקאלות מקרוסקופיות למשל במגנט על מוליך הפאזה‬
‫של פונקצית הגל נשארת לאורך כמה קילומטרים)‪.‬‬
‫קווינטוט השטף המגנטי‪.‬‬
‫קווינטוט השטף המגנטי לא ניתן להסברה ע"י מודלים קלאסים ולמעשה הוא בטוי לאופי הקוונטי של המצב‬
‫המקרוסקופי של מוליך העל‪ .‬תופעות קוונטיות מקרוסקופיות אחרות במוליכי על הם אפקט ג'וזפסון‬
‫ומערבולות השטף המגנטי של אבריקוסוב (‪ .)Abrikosov flux vortices‬אבריקוסוב וגינזבורג חלקו את פרס‬
‫נובל לשנת ‪ 0991‬עבור תרומתם להתפתחות התיאוריה של מוליכי על‪.‬‬
‫תיאורית גינזבורג לנדאו‬
‫(‪. )GL‬‬
‫השלב הבא בהתפתחות התיאוריה של מוליכי‪-‬על לאחר משוואות לונדון היה הפיתוח של משוואות גינזבורג‬
‫לנדאו‪ .‬תיאוריית גינזבורג לנדאו סיפקה תובנה עמוקה של אופי הפאזה העל מוליכה‪ .‬לנדאו וגינזבורג עידכנו‬
‫את משוואות לונדון ע"י הוספת פרמטר סדר מרוכב ‪. 6‬‬
‫)‪(r) = (0)exp[-i(r)] (5‬‬
‫המאפיין את מידת הסדר במערכת בפאזה העל מוליכה‪ .‬שהוא למעשה גם פונקציית הגל המקרוסקופית‪.7‬‬
‫המוסכמה לנרמל את פונקציית הגל (שהיא גם פרמטר הסדר )‪ ) (r‬כך שהצפיפות של נשאי המטען בפאזה העל‬
‫מוליכה תהיה נתונה בביטוי ‪ . |(r)|2=nS‬לפאזה אין משמעות פיזיקאלית ישירה ועבור מוליך על מבודד‬
‫מהסביבה היא יכולה להבחר בצורה שרירותית‪ .‬אך אחרי שקובעים את הפאזה בנקודה מסויימת הפאזה‬
‫נקבעת עבור כל העל‪-‬מוליך‪ .‬בהיותה פרמטר סדר הפונקציה )‪ (r‬הולכת לאפס כאשר הטמפרטורה מתקרבת‬
‫לטמפרטורה הקריטית‪.‬‬
‫‪6‬‬
‫פרמטר סדר הוא גודל המבטא את רמת הסדר של מערכת בקרבת מעבר פאזה ולמעשה קשור לתורת לנדאו למעברי פאזה‬
‫מסדר שני הנלמדת במסגרת הקורסים במכניקה סטטיסטית‪.‬‬
‫‪7‬‬
‫פונקציית גל היא חיה הלקוחה ממכניקת הקוונטים כל חלקיק הוא גם גל ולמעשה מתואר ע"י פונקציה מרוכבת של המרחב‬
‫והזמן‪ .‬השילוב הזה של פרמטר סדר ופונקציית גל יחד באותה תיאורייה הוא הגאונות של התיאוריה ‪.‬והוא דרש (כהגדרת אחד‬
‫הספרים) הבנה עמוקה של הפיזיקה ולא מעט אומץ‪.‬‬
‫תוצאה חשובה מאוד של תורת גינזבורג לנדאו‪ 8‬היא כי מלקיחת המינימום של האנרגית החופשית ניתן לקבל‬
‫כי צפיפות הזרם ‪ J‬בנוכחות פוטנציאל ווקטורי ‪( A‬באופן פשוט נניח וקיים שדה מגנטי) נתון בביטוי‪.‬‬
‫)‪J=2e/m[2eA] (6‬‬
‫כאשר ‪.|‬יוצא מכך שזרם על מוליך נשלט ע"י הפאזה של פרמטר הסדר (המכונה גם פונקצית הגל‬
‫המקרוסקופית)‪ .‬קווינטוט השטף המגנטי נובעת ישירות מהאופי הקוונטי המקרוסקופי של מוליכות העל‪.‬‬
‫נתבונן בעל מוליך שאיננו קשיר בצורה פשוטה כמו שמופיע בציור‪.‬‬
‫נדרוש שפרמטר הסדר יהיה פונקציה חד ערכית‪.‬וניקח אינטגרל של שני הצדדים של משוואה (‪ )4‬לאורך מסלול‬
‫סגור ‪ .C‬אחרי העברת אגפים נקבל‪.‬‬
‫נוכל לכן לכתוב‬
‫כאשר ‪ В = curl A‬הגודל‬
‫מכונה פלאקסון כאשר ‪ n‬הוא קבוע ואינו תלוי בזמן‪.‬‬
‫אם המסלול הסגור ‪ C‬סוגר בתוכו אזור קשיר בצורה פשוטה (בלי חורים) ה‪ n-‬היחיד שאפשרי הוא ‪, n=0‬זאת‬
‫אומרת השטף בתוך מוליך‪-‬העל הוא ‪ .9‬למעט איזור ליד פני השטח שם נמצאים הזרמים הממסכים‪ .‬קיבלנו‬
‫תיאור פורמלי של אפקט מייזנר שלוקח בחשבון את החדירה המוגבלת של השדה המגנטי‪ .‬אם המסלול ‪ C‬עליו‬
‫מתבצעת האינטגרציה מרוחק מהשפה של הדגם )‪ (d>>L‬במקום בו הזרם העל מוליך זניח משוואה (‪)6‬‬
‫מצטמצמת ל‪-‬‬
‫‪8‬‬
‫ניתן גם לגזור את זה ממכניקת הקוונטים ללא צורך בפיתוח מלא של משוואות גינזבורג לנדאו‪.‬‬
‫ממשוואה (‪ )7‬רואים ששטף מגנט הנמצא בטבעת על מוליכה מקוונטת ויהיה תמיד מכפלה שלימה של‬
‫על מוליכים מהסוג‬
‫‪.‬‬
‫הראשון והשני‪Type-I and type-II.‬‬
‫משוואות ‪ GL‬כוללות בתוכם גודל אופייני נוסף מרחק הקוהרנטיות (‪ ) GL coherence length‬המסומן‬
‫)‪ (T‬וכמובן גם הוא תלוי בטמפרטורה‪ .‬מרחק הקוהרנטיות מאפיין את המרחק בו )‪ (r‬יכולה להשתנות בלי‬
‫שינוי משמעותי באנרגיה‪ ,‬מרחק הקורהרנטיות מתבדר כאשר הטמפרטורה מתקרבת לטמפרטורה הקריטית‪.‬‬
‫היחס בין עומק החדירה של לונדון ‪ L‬ו‪ (T)-‬קובע את התכונות המגנטיות של העל מוליך ומכונה פרמטר‬
‫גינזבורג לנדאו ומסומן‪ ..‬כאשר עבור העל‪-‬מוליך מתקיים ‪( .<1/2‬זה פשוט תלוי בחומר ממנו עשוי‬
‫העל‪-‬מוליך)‪ .‬נכנה את העל‪-‬מוליך מהסוג הראשון (‪ type-I‬בלעז)‪ .‬במקרה כזה כאשר נעלה את השדה המגנטי‬
‫החיצוני עד שדה קריטי מסויים מוליך‪-‬העל ידחה את השדה מתוך גוף המוליך עבור שדה גדול מהשדה הקריטי‬
‫‪ Hc<H‬תשבר העל מוליכות והחומר יתפקד כמו חומר נורמלי‪ .‬עופרת וכספית למשל הם דוגמאות לעל מוליכים‬
‫מהסוג הראשון‪ .‬במקרה השני של על‪-‬מוליכים מהסוג השני ‪ type-II‬מתקיים ‪ . >1/2‬כאשר מניחים על‬
‫מוליך מהסוג השני בשדה מגנטי חיצוני ומתחילים להגביר בהדרגה את השדה המגנטי‪ .‬עד שדה מגנטי מסויים‬
‫המכונה השדה הקריטי הראשון ומסומן ‪ Hc1‬מוליך העל מגרש מתוכו את השדה המגנטי לחלוטין ומתפקד‬
‫כדיאמגנט מושלם עבור שדה מגנטי חיצוני גבוה מהשדה הקריטי הראשון מוליך העל יכנס למצב המכונה מצב‬
‫שובנוקוב ”‪ “Shubnokov phase‬במצב זה השדה המגנטי מתחיל לחדור לתוך מוליך‪-‬העל בצורה של קוי שטף‬
‫מקוונטטים שהם למעשה מערבולות זרם שתוכם הוא חומר בפאזה נורמלית וסביבם החומר הוא על‪-‬מוליך‬
‫‪,‬המערבולות אחראיות לייצר את השדה המגנטי בתוך הפאזה הנורמלית‪ .‬כבתמונה‪.‬‬
‫קווי השטף מכונים מערבולות אבריקוסוב (‪ .)Abrikosov vortices‬כל מערבולת שכזו מכילה קוונטה אחת של‬
‫שטף מגנטי ובנויה ממרכז בפאזה נורמלית באורך אופייני ‪ ‬היינו מרחק הקורנטיות ומוקפת בזרמים ברדיוס‬
‫‪( ‬אותו כיננו קודם לכן עומק החדירה)‪ .‬זרמים אלו אחראים על יצירת השדה במרכז המערבולות ומיסוך‬
‫השטח שבין המערבולות מהשדה המגנטי החיצוני‪.‬‬
‫ככל שהשדה המגנטי עולה ‪,‬המרחק בין המערבולות הולך וקטן כאשר השדה המגנטי החיצוני יהיה גדול‬
‫מהשדה הקריטי השני ‪ Hc2‬המערבולות יתאחדו ובפועל מה שיקרה הוא שמוליכות העל תהרס לחלוטין בתוך‬
‫הדגם והדגם יחזור למצב הנורמלי (יחזור להיות מוליך רגיל בד"כ)‪ .‬הסיבה להבדל בין שני הסוגים של העל‬
‫מוליך היא האנרגיה של הגבול בין תווך שהוא מוליך לתווך נורמלי‪ .‬עבור ‪ Type I‬האנרגיה הזו גבוהה‬
‫מהאנרגיה של העל‪-‬מוליך ולכן החומר ישאוף לייצר מינימום של שטח פנים כזה לעומת זאת ב‪Type II -‬‬
‫האנרגיה של שטח הפנים (בקרבת הגבול בין מוליך‪-‬על לחומר נורמלי) היא שלילית לכן בנסיבות מסויימות‬
‫ישתלם לחומר כדי להוריד את האנרגיה הכללית של המערכת להתחלק לאיזורים מתחלפים של חומר נורמלי‬
‫ומוליך‪-‬על כמו שאכן קורה מעל ‪( . Hc1‬היות ונוצרים חורים של חומר נורמלי בתוך העל‪-‬מוליך וכבר ראינו כי‬
‫ניתן לכן להבין מדוע כל מערבולת תכיל שטף של‬
‫השטף בטבעת שכזו יכול להיות רק מספר שלם של‬
‫)‪.‬‬
‫אפקט ג'וזפסון‬
‫עוד ביטוי לאופי הקוונטי של מוליכות העל ניתן לצפיה במה שמכונה מוליכות‪-‬על חלשה ( ‪weak‬‬
‫‪ )superconductivity‬או אפקט ג'וזפסון‪ .‬החיזוי התיאורטי של התופעות התבצע בשנת ‪ 1740‬ע"י‬
‫סטודנט לדוקטורט בשם בריאן ג'וזפסון ודי במהירות אושרו מבחינה נסיונית‪ .‬המונח מוליכות‪-‬על‬
‫חלשה מתייחס למצב בו שני מוליכי‪-‬על מצומדים אחד לשני בצורה חלשה ‪ .‬נדמיין לעצמנו שני מוליכי‬
‫על המרוחקים זה מזה‪ ,‬לכל אחד מהם פונקצית גל מוגדרת משלו עם פאזה משלו בלתי תלויה בפאזה‬
‫של מוליך‪-‬העל השני‪ .‬נכתוב את פונקציות הגל‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ . ‬כאשר‬
‫שני מוליכי‪-‬העל מרוחקים זה מזה הפאזות ‪ ‬ו‪ -‬הם בלתי תלויות‪ .‬אם נצמיד את מוליכי העל זה‬
‫לזה ברור שמה שנקבל זה מוליך‪-‬על אחד גדול עם פאזה אחת מוגדרת או במילים אחרות ‪.=‬‬
‫נתבונן כעת במצב ביניים בו שני מוליכי‪-‬העל יהיו ב‪"-‬מגע חלש" במצב זה נאמר כי פונקציות הגל‬
‫חופפות וניתן לדבר על הפרש פאזה מגודר ‪ -‬בין שתי פונקציות הגל (מבנה כזה מכונה צומת‬
‫ג'וזפסון ונפרט מספר דרכים ליצור אותו בהמשך)‪ .‬ג'וזפסון הראה כי במצב זה זוגות קופר יכולים‬
‫לזרום בין שני מוליכי‪-‬העל ללא שיהרסו‪ .‬עבור תגלית זו זכה בפרס נובל ב‪.1752-‬‬
‫זרם הזורם דרך צומת ג'וזפסון תלוי בהפרש הפאזה בין פונקציות הגל בין שני צידי הצומת‪ .‬והוא נתון בקשר‬
‫הבא‬
‫)‪(10‬‬
‫‪IS = IC sin ,‬‬
‫כאשר ‪ = ‬ו‪ Ic-‬הוא הזרם המקסימלי הניתן להעביר דרך הצומת ללא התנגדות‪ .‬משוואה (‪ )19‬מתארת‬
‫את אפקט ג'וזפסון לזרם ישר (‪ .)dc Josephson Effect‬כאשר מעבירים דרך הצומת זרם גבוה מ‪. IC-‬‬
‫הצומת מפתחת התנגדות (היא עדיין לא מתנהגת כנורמלית)‪.‬‬
‫נשים לב‪ 8‬כאשר הזרם דרך הצומת הוא אפס אין הפרש פאזה‬
‫בנוסף חזה ג'וזפסון שכאשר יווצר מתח על הצומת ‪.‬הקשר בין הפרש הפאזה לבין המתח יהיה‬
‫)‪(11‬‬
‫‪∂/∂t=2e V/.‬‬
‫במצב זה לא מקבלים שום זרם ישר אלא זרם חילופין המשתנה בתדר גבוה‪ .‬נשאי המטען בזרם זה הם זוגות‬
‫קופר‪ .‬והתדר נתון ע"י המשוואה‪.‬‬
‫)‪(12‬‬
‫כאשר‬
‫‪fJ= /2e/h‬‬
‫הוא המתח הממוצע על זמן מחזור העובר דרך הצומת (זה לא )‪.)v(t‬‬
‫תופעה זו מכונה אפקט ג'וזפסון לזרם חילופין (‪. )AC Josephson Effect‬‬
‫התדר של זרם ג'וזפסון פרופורציונאלי למתח‪ .‬קבוע הפרופורציה הוא הוא‬
‫‪ .‬זה נותן ‪ 483.6 GHz‬לכל מילי‬
‫וולט של מתח על הצומת‪ .‬הערך הגבוה והעובדה שניתן לכוון את התדר הופכת את צומת ג'וזפסון למעניינת‬
‫בהקשר של יצירת מקורות תדר תלויי מתח (באלקטרוניקה קוראים לרכיב ‪ VCO‬והוא נמצא כמעט בכל סוג‬
‫של מקלט ומשדר) עבור תדרים גבוהים של ‪ GHz‬ואולי אפילו ‪( THz‬תחום תדרים שאינו מכוסה ע"י‬
‫המכשירים המצויים היום בשוק ומעורר עניין רב בקרב מהנדסי חשמל)‪ .‬מצד שני העובדה שמשוואה (‪)10‬‬
‫מקשרת מתח ותדר דרך קבועים יסודים כמו ‪ h‬ו‪ e -‬מאפשרת לנו להשתמש בצומת ג'וזפסון על מנת לקבוע‬
‫סטנדרט ליחידות המידה של המתח‪.‬‬
‫זרם החילופין המיוצר ע"י הזרם חסר התנגדות בצומת ג'וזפסון אמור לפלוט קרינה אלקטרומגנטית ‪ .‬עכ"פ‬
‫העוצמה של קרינה זו נמוכה מאוד ובנוסף מדוכאת ע"י אי תיאום עכבות בין הצומת לבין החלל החופשי אליו‬
‫אמורה להפלט הקרינה‪ .‬עוצמת קרינה שכזו היא מסדר גודל של ‪ .1013 W‬למרות שקרינה זו כבר אובחנה‬
‫במספר ניסויים האימות הראשון לאפקט ג'וזפסון ניתן דווקא ע"י מדידה לא ישירה של האינטראקציה של‬
‫הצומת עם שדה מיקרוגל חיצוני‪ .‬כאשר צומת ג'וזפסון עליה מופעל מתח ישר ‪ Vdc‬מוקרנת ע"י קרינת מיקרוגל‬
‫בתדר ‪ , rf‬בהתאם לחוק פארדיי מושרה בצומת מתח המשתנה באותו תדר ‪ .‬סך המתח על הצומת יהיה (‪)11‬‬
‫)‪V=Vdc+Vrfcosrft) (13‬‬
‫נציב את (‪ )11‬במשוואה (‪ )11‬ונבצע אינטגרל על הזמן נזכור כי ‪ .0 = h/2e‬נקבל‬
‫‪φ‬‬
‫במונחים של פונקציות בסל ונקבל‬
‫נציב את (‪ )12‬במשוואה (‪ )19‬ונבטא את‬
‫כאשר )‪ Jn(z‬היא פונקצית בסל מהסוג הראשון מסדר ‪. n‬‬
‫נשים לב כי עבור ערכים מסויימים של‬
‫הזרם‬
‫יהיה בלתי תלוי בזמן זה יקרה כאשר‪.‬‬
‫)‪(16‬‬
‫זאת אומרת מכניסים תדר משתנה ומקבלים זרם ‪. dc‬‬
‫עבור‬
‫המתאים ל‪ m-‬מסויים הזרם הממוצע‬
‫הזורם ללא התנגדות חייב לקיים‪.‬‬
‫ולכן ניתן יהיה להעלות את ‪ I‬ללא שינוי דרסטי במתח עד שנעבור את‬
‫בשלב זה תתרחש קפיצה למתח הבא‬
‫ושוב יהיה ניתן להגדיל את הזרם לא שינוי משמעותי במתח עד שנעבור את‬
‫‪.‬‬
‫תתווסף תרומה בלתי תלויה בזמן לזרם העל מוליך )‪ Im IcJn(2Vrf/0rf‬גודל זה יתווסף או יוחסר‬
‫מהזרם הכולל ויוביל להופעת סדרת מדרגות המכונות מדריגות שפירו )‪ (Shapiro steps‬שיופיעו על גראף מתח‬
‫זרם האופייני של צומת ג'וזפסון (הנמצאת בשדה ‪.)RF‬‬
‫נתבונן ב‪ )14(-‬נבחר תדר קבוע‪ .‬נעלה אט אט את‬
‫במתח בין שתי נקודות שכאלה הוא‬
‫ונבדוק את הנקודות בהם אנו מקבלים זרם ישר‪.‬ההפרש‬
‫‪ .‬אפקט זה מאפשר להגדיר סטנדרט ליחידת המתח וולט‬
‫באמצעות הגדלים הקוונטים ותדר מוגדר‪.‬‬
‫יצירת צמתי ג'וזפסון ועל מוליכות חלשה‪.‬‬
‫ניתן לממש צמתי ג'וזפסון במספר דרכים ‪ .‬הדרך הכי ברורה מבחינה פיזקאלית היא צומת ‪-S( S-I-S‬מוליך‬
‫על‪-I,‬מבודד) הבנויה משתי שכבות של על מוליכים וביניהם שכבה דקה מאוד של מבודד בד"כ מדובר בתחמוצת‬
‫בעובי ‪ 1-0‬ננומטר‪ .‬זוגות קופר שעוברים דרך צומת שכזו פועלים לפי משוואה (‪ .)19‬מבנה דומה של צומת הוא‬
‫‪ S -N-S‬או ‪. S-S'-S‬במקרה של ‪ S-N-S‬השכבה בין שני מוליכי העל היא מוליך ולא מבודד אבל מוליך במצב‬
‫נורמלי (‪ .)N‬במקרה של ‪ S-S'-S‬החומר בין שני מוליכי העל הוא מוליך על אבל עם טמפרטורה קריטית נמוכה‬
‫יותר‪ .‬צמתות אלה מבוססות על אפקט הקירבה (‪ )proximity effect‬האומר כי במקרה שמוליך‪-‬על נמצא‬
‫בקרבת מבודד יכולים זוגות קופר לחדור לתוך המבודד עד לעומק אופייני ‪N‬‬
‫צומת ‪ S-N-S‬ניתן לממש בדרכים שונות‪ .‬למשל ניתן ע"י אידוי ליצור שכבה דקה )‪ (10 - 100 nm‬של מתכת‬
‫נורמלית בין שני שכבות של על מוליך‪ .‬באותה מידה ניתן לקחת דגם על מוליך ולכסות אותו באמצעו בשכבה‬
‫של מתכת נורמלית ‪ .‬כשמניחים מתכת נורמלית בקרבת על מוליך כמות זוגות הקופר בתוך העל‪-‬מוליך קטנה‬
‫בקרבת השפה ( תכונה זו נובעת מאפקט קירבה שמאפשר חדירה של זוגות קופר לתוך המוליך אבל גורם‬
‫לירידת הצפיפות שלהם בתוך מוליך‪-‬העל בקרבת השפה) כפי שניתן לראות באיור הקודם ‪ .‬האמפליטודה של‬
‫פונקצית הגל תדעך לכן באיזור בו מוליך‪-‬העל הוא במגע עם החומר הנורמלי ‪ .‬ירידה זו בצפיפות פונקצית הגל‬
‫גורמת לירידה של הזרם הקריטי וליצירת מוליכות‪-‬על חלשה (צומת ג'וזפסון)‪.‬‬
‫בשלבים מוקדמים של המחקר של אפקט ג'וזפסון היה פופולרי לייצר מוליכות‪-‬על חלשה ע"י הנחת מוליך על‬
‫מחודד על מוליך על אחר (לפעמים עשויים מחומר אחר)‪ .‬החסרון המרכזי של קונפיגורציה שכזו היתה חוסר‬
‫יציבות מכנית‪ .‬צמתי ‪ S-N-S‬כמו גם שימוש במוליך על מחודד על פני מוליך על אחר (‪ )point contacts‬יכולים‬
‫להיות מתוארים ע"י קשר של סינוס בין הזרם חסר ההתנגדות לבין הפרש הפאזה‪.‬‬
‫שיטה נוספת לייצור מוליכות‪-‬על חלשה היא לקחת שכבה דקה אחת ולחרוט בה כך שיווצרו שני איזורים‬
‫המחוברים בפס דק של חומר על‪-‬מוליך עם גודל אופייני של המרחק הקוהרנטי או קטן יותר‪ .‬סוג כזה של‬
‫חיבור מכונה גשר דיים (‪ .)Dayem bridge‬במקרה שכזה צפיפות הזרם הקריטי היא זהה בדגם ובגשר אבל‬
‫הזרם הקריטי (לא צפיפות הזרם) קטנה בהרבה בגשר מאשר בדגם‪ .‬באופן דומה ניתן לייצר גשר עם עובי‬
‫משתנה כאשר הדגם עצמו בעובי של מאות ננומטרים אבל בגשר עצמו עוביו של מוליך‪-‬העל הוא רק מספר‬
‫ננומטרים‪ .‬בגשרים אלו הגשר בין הזרם חסר הדיסיפציה חורג מהתיאור של סינוס יחיד אבל נשאר מחזורי וחד‬
‫ערכי‪ .‬כל עוד מימדי הגשר קטנים ממספר פעמים מרחק הקוהרנטיות‪ .‬גשרים גדולים יותר נהיים לא יציבים‬
‫בהקשר של היווצרות מערבולות בצומת עצמה ואפקט ג'וזפסון לא ניתן לכן לצפייה בהם‪.‬‬
‫מוליכי על בטמפרטורות גבוהות (כדוגמת מוליך‪-‬העל המשמש בניסוי שלנו ) מאופיינים בפני שטח פגומים‬
‫ומרחק קוהרנטיות קטן במיוחד באופן כזה שהופכים את מימוש צומת ג'וזפסון לבלתי אפשרי בדרכים שצויינו‬
‫עד כה‪ .‬הדרך לייצר מוליכות‪-‬על חלשה בדגמים אלו היא ע"י ציפוי שכבה דקה של נאמר למשל ‪YBa2Cu3O7‬‬
‫(שהוא מוליך‪-‬על ) על מצע של שני גבישים המחוברים יחד בזווית מסויימת‪ .‬הגבול בין שני שני הגבישים משפיע‬
‫גם על השכבה העל‪-‬מוליכה ‪,‬למעשה מוליכות –העל החלשה נשלטת ע"י הזווית בין שני גבישי המצע השיטה‬
‫מכונה "‪."grain boundry‬‬
‫בחלק ממוליכי‪-‬העל בטמפרטורות גבוהות למשל ‪ , Bi2Sr2CaCu2O8‬קיימים צמתי ג'וזפסון פנימיים פשוט‬
‫בגלל המבנה הגבישי ‪.‬זאת אומרת מוליכות‪-‬העל מוגבלת רק לשכבת תחמוצת הנחושת בעובי ‪ 0.3nm‬בין‬
‫מישורים אלו קיימים שכבות מבודדות של תחמוצת ביסמוט ותחמוצת סטרונציום לכן חומרים שכאלה‬
‫מתפקדים כצמתי ‪ S-I-S‬כאשר לכל צומת עובי של כ‪( .1.5nm-‬שהוא המרחק בין שתי שכבות שכנות של‬
‫תחמוצת הנחושת)‬
‫סוגים שונים אלו של צמתי ג'וזפסון מייצגים מעט מתוך האפשרויות השונות הרבות ‪ .‬לכל סוג של צומת‬
‫יתרונות וחסרונות ובהתאם לשימוש ניתן לבחור את סוג הצומת בצורה יעילה‪ .‬בניסוי זה נשתמש ב ‪SQUID‬‬
‫הבנוי בצמתי ג'וזפסון המבוססים על שכבה דקה של מוליך העל בטמפרטורות גבוהות ‪ Y1Ba2Cu3O7-d‬המונח‬
‫על מצע של שני גבישים בעלי אורנטציה שונה (בקיצור הצמתות עצמן בנויות בשיטת "‪.) "grain boundry‬‬
‫גרף זרם‪-‬מתח (‪ )I-V‬אופייני של צומת ג'וזפסון‬
‫האלקטרונים הנורמלים והקיבול בין האלקטרודות (המגעים בכניסה וביציאה מהצומת) משפיעים גם הם על‬
‫הדרך בה תלויים המתח והזרם זה בזה בצומת ג'וזפסון‪ .‬לכן שתי תרומות נלקחות בחשבון במודל המודל‬
‫מכונה ‪ (Resistively Shunted Junction model) RSJ‬והקורא הנלבב מוזמן לנסות לתרגם את זה לעברית‬
‫בעצמו‪ .‬במודל זה מוליכות‪-‬על חלשה אידאלית מחוברת במקביל לקבל ולנגד (התנגדות נובעת היות וישנו גם‬
‫זרם אלקטרונים רגילים שנוצרו כתוצאה משבירת זוגות קופר)‪.‬‬
‫הזרם הכולל דרך הצומת נתון ע"י המשוואה‬
‫)‪(17‬‬
‫‪I= IC sin  +V/R +C dV/dt‬‬
‫ע"י שימוש במשוואות (‪ )11‬ו‪ )10(-‬נוכל לכתוב את (‪ )15‬בצורה הבאה‬
‫)‪(18‬‬
‫‪ 0 ‬‬
‫‪0  2‬‬
‫‪I  I c sin  ‬‬
‫‪C‬‬
‫‪2 R t‬‬
‫‪2  2t‬‬
‫נעבור לגדלים חסרי יחידות ‪ i=I/IC‬ו‪ =t(2Ic/0C)1/2 -‬ונציב במשוואה (‪)16‬‬
‫)‪(19‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪ 2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ sin ‬‬
‫‪c‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪I‬‬
‫כאשר ‪ c=2IcR2C/0‬הוא פרמטר מקומבר (‪ ( McCumber‬הקובע את סוג ועוצמת ההיסטרזיס‪ 9‬של גראף‬
‫‪ I-V‬אופייני‪ .‬נשים לב שמשוואה (‪ )17‬היא משוואת התנועה של מטוטלת מכנית‪ .‬דמיון זה משמש לרוב להדגים‬
‫מספר תכונות של צמתי ג'וזפסון באמצעות אנלוגיה למטוטלת מכנית‪.‬‬
‫כאשר ‪ c > 1‬הצומת נמצאת בתת‪-‬ריסון (‪ .)underdamped‬במצב זה למשוואה (‪ )17‬יתכנו שני פתרונות יציבים‬
‫עבור ‪ I < Ic‬והגראף ‪ V-I‬נהיה תלוי בהיסטוריה של המערכת‪ .‬כאשר המערכת מתחילה מזרם אפס ומעלים אט‬
‫אט את הזרם לא נופל מתח על הצומת עד שהזרם העובר דרך הצומת מגיע ל‪ . Ic-‬בנקודה ‪ I=Ic‬המתח עובר מ‪-‬‬
‫‪9‬‬
‫היסטרזיס זה כאשר הגראף לא חוזר על עצמו אלא הוא תלוי בהיסטוריה של הדגם‬
‫‪ 9‬לערך סופי בזמן של בערך ‪ 1‬פיקו‪-‬שניה תהליך מיתוג מהיר זה משמש במעגלים לוגיים המבוססים על צמתי‬
‫ג'וזפסון‪.‬‬
‫אם כעת נקטין את הזרם מתחת ל ‪ Ic-‬המתח על הצומת לא יתאפס מיד בהגיעו ל‪ Ic-‬אלא רק בזרם נמוך יותר‬
‫(זה המשמעות של היסטרזיס)‪.‬‬
‫עבור ‪ c << 1‬אין היסטרזיס בגראף ‪ I-V‬האופייני לצומת‪ .‬בגבול בו אין קיבול בצומת ‪ c = 0‬המשוואות‬
‫ניתנות לפיתרון אנליטי והמתח הממוצע שיתקבל יהיה (‪)01‬‬
‫מקדמי מקומבר נמוכים אופיינים לצמתי ג'וזפסון המבוססים על גשרים ומגעי נקודה (התנגדות וקיבול‬
‫נמוכים) כאשר ‪ c‬גבוהים אופיינים ל צמתי ‪ S -N-S‬המבוססים על מינהור בשכבות דקות שם (ההתנגדות‬
‫נורמלית והקיבול של הצומת גבוהים )‪ .‬בניסויים שהתבצעו בטמפרטורות גבוהות במיוחד עבור צמתי גוזפוסון‬
‫המבוססים על גשרים מעבר הפאזה מהעדר מתח למתח סופי איננו חד כל כך בעקבות פקטואציות תרמיות‪.‬‬
‫ה‪)Superconducting quantum interferometer) SQUID-‬‬
‫אפקט ג'וזפסון לזרם חילופין נגרם כתוצאה מהתאבכות זמנית בין פונקציות הגל המקרוסקופיות של שני‬
‫מוליכי –העל משני צידי הצומת‪ .‬נתבונן כעת בהתאבכות מרחבית אנלוגית לניסוי שני הסדקים של יאנג‪.‬‬
‫נתבונן בטבעת על‪-‬מוליכה עם שני צמתי ג'וזפסון (או במילים אחרות שתי צמתות מחוברות במקביל)‪ .‬הטבעת‬
‫מונחת בשדה מגנטי המכוון בניצב לפני הטבעת ‪ .‬זרם ‪ I‬עובר דרך הטבעת מצד לצד ע"י מדידת המתח הנופל על‬
‫הצמתים ניתן לקבוע את הזרם ‪ Ic‬הוא הזרם המקסימלי שניתן להעביר בטבעת ללא התנגדות‪ .‬נרצה למצוא‬
‫את התלות של ‪ Ic‬בשדה המגנטי החיצוני ‪.Ba‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫זרם ‪ I‬המסתובב בטבעת מייצר גם הוא שטף מושרה ‪ ind  Li‬כך שהשטף הכולל הוא ‪  = a + Li‬הוא‬
‫זה שצריך להיות כפולה שלימה של ‪ . 0‬נתבונן במשוואה (‪)5‬‬
‫נבחר מסלול אינטגרציה רחוק מהשפה (במקום בו צפיפות הזרם היא אפס) ולכן בצד ימין של (‪ )5‬נוכל להזניח‬
‫את האיבר השני ‪ .‬נקבל לכן‪.‬‬
‫נחלק את הטבעת לשני איזורים‪ ,‬מעל ומתחת לציר ‪. X‬בכל איזור שכזה נמצא מוליך‪-‬על אשר פונקצית הגל‬
‫שלו היא בעלת פאזה מוגדרת‪ .‬לכן אם נבצע אינטגרציה על שני צידי משוואה (‪ )5‬כל פעם עבור אחד האיזורים‬
‫ואז נחבר אותם יחד‪ .‬נקבל‬
‫‪θ‬‬
‫אם מאידך נבצע אינטגרציה על כל המעגל‬
‫‪.‬‬
‫‪θ‬‬
‫‪θ‬‬
‫‪θ‬‬
‫נוכל לרשום את צד שמאל של המשוואה במונחים של הפרש הפאזה בין שני צידי צמתות ג'וזפסון בנקודות ‪w‬‬
‫ו‪.x-‬‬
‫𝛗‬
‫לכן נוכל לרשום את צד שמאל‬
‫‪2-1-2n‬‬
‫עבור צד ימין היות ואין שינויים מיוחדים בפוטנציאל הווקטורי בקרבת הצמתות‪ ,‬והצומת עצמה היא קטנה‬
‫ביחס למסלול כולו נוכל להעזר במשפט סטוקס והגדרת הפוטנציאל הווקטורי ולרשום‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫) ‪ 2/ 0 (  A  dl   A  dl‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪‬‬
‫כאשר ‪ ‬הוא השטף המגנטי העובר דרך הצומת‪.‬‬
‫אם נסכם קיבלנו עבור הצד הימני והשמאלי‪.‬‬
‫‪2-1+2/0=2n,‬‬
‫)‪(22‬‬
‫הזרם הנע בטבעת יוצר שינו בשטף ‪ a‬כלפי מעלה וכלפי מטה כך שיתאים לערך שלם של ‪. n‬השטף ‪Li‬‬
‫(השראת הטבעת כפול הזרם העל‪-‬מוליך) צריך במקרה זה להגיע לערך מקסימלי של ‪ .0/2‬נניח בתור התחלה‬
‫שניתן להזניח את התרומה של ‪ Li‬לשטף המגנטי‪ .‬הזרם בטבעת ‪ J‬באופן ברור לא יכול להיות גדול מ‪ Ic-‬של‬
‫הצומת‪ .‬לכן השטף שנובע מהגודל ‪ Li‬בהכרח קטן מהגודל ‪ . LIc‬נניח גם השטף קטן בהרבה מחצי פלאקסון‬
‫זאת אומרת שמתקיים עבור האינורפורמטר (המערכת כולה כולל שתי הצמתות) ‪ .L =2LIc/0 << 1‬אם‬
‫מזניחים את מהשטף את השטף המגנטי הנוצר ע"י הזרם בטבעת‪ .‬נקבל ‪ . = a‬הזרם ‪ i‬מופרד לשני זרמים‬
‫‪ I1‬ו‪ I2 -‬הזורמים דרך הצמתות ‪ 1,0‬בהתאמה‪.‬יתקיים ‪ .I1 = Ic1sin1, I2 = Ic2sin2‬היות והזרם דרך צומת‬
‫לא ישתנה עם נוסיף לפאזה ‪ 2n‬נוכל לבחור ב‪ )00(-‬את ‪ n‬להיות ‪ 9‬ונקבל לכן‪.‬‬
‫)‪(23‬‬
‫‪2=1-2/0.‬‬
‫מטעמי שימור זרם ‪ .i = I1 + I2‬נניח לשם פשטות שהזרם הקריטי של שני הצמתים באינטרפורמטר זהים‬
‫ושווים ל ‪ Ic‬בעזרת (‪ )01‬נוכל לרשום‬
‫)‪(24‬‬
‫])‪I=Ic [sin1 + sin(1-2a/0‬‬
‫נשתמש בזהות הטריגונומטרית ‪ .sin(α) + sin(β) = 2 sin(α + β)/2 cos(α- β)/2‬נקבל‬
‫)‪I=2Icsin(1+a/0)cos(a/0) (25‬‬
‫כדי למצוא את הזרם הקריטי של האינטרפורמטר ‪ Ic max‬נחפש את הזרם המקסימלי האפשרי ע"פ משוואה (‪)03‬‬
‫כפונקציה של ‪ .1‬זאת אומרת נניח ‪ a‬קבוע ונשאל איזה ערך של ‪ 1‬יתן לי זרם מקסימלי‪.‬היות וערך‬
‫המקסימלי של ‪ sin‬הוא ‪.1‬‬
‫נקבל זרם מקסימלי עבור ‪ |sin(1+a/0)|= 1‬לכן הזרם המקסימלי ללא‬
‫דיסיפציה האפשרי דרך האינטרפומטר הוא‬
‫)‪(26‬‬
‫|)‪Ic max=2Ic|cos(a/0‬‬
‫נתבונן במשוואה (‪ . )04‬נתבונן בשינוי הזרם חסר ההתנגדות כפונקציה של השטף המגנטי החיצוני קל לראות כי‬
‫הזרם המקסימלי חסר הדיסיפציה דרך הצומת הוא פונקציה מחזורית של השטף במרכז הטבעת שערכיו נעים‬
‫בין ‪ 9‬ל‪ .2Ic-‬במחזוריות של ‪.Ф0‬‬
‫ה‪: SQUID-‬‬
‫ה –‪ (Superconducting Quantum interference Device) SQUID‬הוא מגנטומטר (מכשיר למדידת שדה‬
‫מגנטי) רגיש מאוד המשמש למדידת שדות מגנטים חלשים במיוחד המבוסס על אינטרפרומטר מהסוג‬
‫שהסברנו עליו קודם לכן ‪ SQUID .‬רגישים דים כדי למדוד שדות מסדר גודל של ‪( 5×10−18 T‬אבל זה דורש‬
‫מיצוע על מדידות של כמה ימים)‪ .‬הגודל הזה קטן מהשדה המגנטי של כדור הארץ ב‪ 12-‬סדרי גודל‪ .‬וקטן בכמה‬
‫סדרי גודל מהשדות המגנטים שנוצרים על שפת הגולגולת ע"י זרמים מגנטים בתוך המוח‪-SQUID .‬ים שייכים‬
‫לקבוצת מכשירי המדידה הכי רגישים שפותחו עד כה‪ .‬היות והמדידה של גדלים פיזקאלים רגילים יכולה‬
‫להיות מתורגמת למדידה של שדה מגנטי או שטף מגנטי‪(,‬למשל במקום למדוד זרם ניתן למדוד את השדה‬
‫המגנטי שהזרם יוצר)‪ .‬ה‪- SQUID‬ים נמצאים בימינו במגוון רחב של שימושים בניסויים מדעיים שונים‪.‬‬
‫קיימים שני סוגים מרכזיים של ‪- SQUID‬ים ‪– SQUID .‬ים מבוססי זרם ישר ו‪ SQUID-‬המבוססים על תדרי‬
‫רדיו ) ‪– SQUID . )dc squid ,rf squid‬ים מבוססי זרם ישר משתמשים בצומת כפולה כמו זו שהוזכרה לעיל‬
‫ומתמרים את השינויים בזרם הקריטי שנוצרים כתוצאה מהשדה מגנטי החיצוני למתח ישר‪ -SQUID .‬ים‬
‫המבוססים על תדרי רדיו משתמשים בטבעת עם צומת ג'וזפסון אחת בלבד‪ .‬ב‪ rf-squid -‬האינטרפרומטר (זאת‬
‫אומרת הטבעת העל‪-‬מוליכה עם הצומת) מצומדת ע"י השראה מגנטית למעגל תהודה עם תדר תהודה בתחום‬
‫הרדיו (תדרים אופיינים ‪ 19-09MHz‬לפעמים יש גם בתחום ה‪ .)GHz-‬ההשראה האפקטיבית של מעגל התהודה‬
‫משתנה כפונקציה של השדה החיצוני‪.‬ה‪ Q -‬פקטור של המעגל מאוד חד והוא מחזורי כפונקציה של השטף‬
‫בטבעת עם מחזוריות של ‪.Φ0‬‬
‫ב‪ dc-squid-‬מודדים את הזרם הקריטי כפונקציה של השדה המגנטי החיצוני‪ .‬הערך של הזרם הקריטי בדרך‬
‫מתקבל ע"י מדיד של המתח הנופל על הצומת כפונקציה של הזרם דרך המכשיר‪ .‬כדי לבנות מגנטומטר ה‪-‬‬
‫‪ squid‬מופעל במתח גדול במעט מהזרם הקריטי כך שהוא בעצם תמיד עובד במצב בו יש עליו מתח ( ‪resistive‬‬
‫‪.)mode‬‬
‫בתנאים אלו נותר יחס מחזורי בין המתח על ה‪ squid-‬לבין השטף של השדה המגנטי החיצוני עם מחזוריות של‬
‫‪ .Φ0‬כפי שניתן לראות בתמונה‪ .‬התלות הסינוסיאדלית של הזרם הקריטי היא למעשה הדגמה של התאבכות של‬
‫פונקצית הגל הקוונטית‪ .‬ניתן לדמות את השינוי בזרם הקריטי לשינוי בעוצמת האור על המסך בניסוי שני‬
‫הסדקים של יונג‪ .‬בניסוי של יונג הפרש פאזה מושג ע"י שינוי הדרך האופטית של האור‪ .‬במקרה של ‪squid‬‬
‫שינוי הפאזה הוא בין שני הזרמים העוברים דרך שתי זרועות ה‪ . squid-‬רעיונות אלה יבואו לידי ביטוי בניסוי‬
‫הנוכחי‪.‬‬
‫לקריאה נוספת‪.‬‬
‫‪1. V. V. Schmidt "The physics of superconductors", Eds. P.Müller and A.V.Ustinov, Springer,‬‬
‫‪1997.‬‬
‫‪2. M. Tinkham "Introduction to superconductivity", McGraw-Hill, 2nd ed., 1996.‬‬
‫‪3. W. Buckel and R. Kleiner, "Superconductivity: Fundamentals and Applications",‬‬
‫‪Wiley-VCH, 2004‬‬
Fly UP