הצגת המקור של הדף "מוליכות-על"

[[קובץ:Stickstoff gekühlter Supraleiter schwebt über Dauermagneten 2009-06-21.jpg|שמאל|ממוזער|200px|מוליך-על המרחף מעל מגנט כתוצאה מ[[אפקט מייסנר]], שבו קווי [[שדה מגנטי]] נדחים מפני מוליך-על.]]
'''[[מוליכות חשמלית|מוליכות]]־על''' (לעיתים נקראת גם '''על־מוליכות''') היא [[פאזה (חומר)|פאזה]] (מצב) של חומר ב[[פיזיקה של חומר מעובה]], בו מתקיימות תכונות של [[התנגדות חשמלית]] אפסית ו[[דיאמגנטיות]] (התנגדות לחדירת שדה מגנטי חיצוני) מושלמת. תכונה זו מתקיימת בחומרים מסוימים ב[[טמפרטורה|טמפרטורות]] נמוכות, [[שדה מגנטי]] חיצוני חלש ו[[זרם חשמלי]] חלש בחומר. מאז גילוייה של תופעת מוליכות-העל על ידי [[האיקה קמרלינג אונס]], נתונה תופעה זו במחקר מתמיד, ועודנה מרתקת אנשי מדע וטכנולוגיה גם יחד. בפרט, תופעת מוליכות-העל בטמפרטורות גבוהות יחסית איננה מוסברת בצורה המקובלת על כלל הקהילה המדעית עד היום ופתרונה יהיה, ככל הנראה, פריצת דרך בפיזיקה של חומר מעובה.

== היסטוריה ==
תופעת מוליכות-העל התגלתה בשנת [[1911]] על ידי [[האיקה קמרלינג אונס]] (שאף [[תחדיש|טבע]] את המונח) בעת שחקר את ההתנגדות החשמלית של [[כספית]] בטמפרטורות נמוכות בעזרת [[הליום]] נוזלי (שהתגלה רק זמן קצר קודם לכן). אונס הבחין כי ההתנגדות החשמלית של הכספית יורדת בצורה חריפה ואף מתאפסת עם קירור המערכת לטמפרטורה של 4.2 [[קלווין]]. בעשורים שלאחר מכן, התגלו תכונות מוליכות-על אף בחומרים אחרים.

בשנת [[1933]] גילו [[וולטר מייסנר]] (Walther Meissner) ו[[רוברט אוכסנפלד]] (Robert Ochsenfeld) כי מוליכי-על דוחים שדות מגנטיים חיצוניים, תופעה הנקראת כיום "[[אפקט מייסנר]]". האחים היינץ ופריץ לונדון<!-- (F. and H. London) --> הראו בשנת [[1935]] כי אפקט מייסנר הוא תולדה של הדרישה ל[[אנרגיה חופשית]] מזערית בעקבות זרם בחומר המוליך-על. תיאור פנומנולוגי רחב יותר ניתן על ידי [[ויטאלי גינזבורג|גינצבורג]] ו[[לב לנדאו|לנדאו]] בשנת [[1950]]. תאוריית גינצבורג-לנדאו תיארה היטב את התכונות המקרוסקופיות של מוליכי-העל שהיו ידועים באותה התקופה. יתר על כן, [[אלכסיי אבריקוסוב]] הראה כי על סמך תאוריה זו צריכים על המוליכים להתחלק לשני סוגים, שיקראו לימים "סוג ראשון" ו"סוג שני". גינצבורג ואבריקוסוב זכו על תגליות אלו ב[[פרס נובל לפיזיקה]] לשנת 2003 (לנדאו זכה בפרס נובל שנים קודם, בשנת [[1962]], על תרומותיו לחקר תופעת [[נוזל על|נוזליות-העל]], ובעת מתן הפרס כבר לא היה בין החיים).

תגלית חשובה נוספת התרחשה אף היא בשנת 1950, כאשר עמנואל מקסוול ובמקביל קבוצתם של ריינולדס, סרין, רייט ונסביט<!-- (C. A. Reynolds, B. Serin, W. H. Wright, and L. B. Nesbitt) --> גילו כי [[מעבר פאזה|הטמפרטורה הקריטית]] של [[איזוטופ]]ים שונים של אותו החומר שונה. תגלית זו הייתה צעד חשוב לקראת הופעתה של תורה מיקרוסקופית המתארת מוליכי-על בשנת [[1957]] על ידי [[ג'ון ברדין|ברדין]], [[לאון קופר|קופר]] ושריפר. תורה זו, הנקראת על שם ראשי התיבות של מגליה "[[תורת BCS]]", הציגה את תופעת מוליכות-העל כתוצאה של [[אינטראקציה]] מיקרוסקופית בין האלקטרונים בחומר לבין ה[[פונון|פונונים]] שב[[גביש]], וזיכתה את מחבריה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1972. בשנת [[1958]] הראה [[ניקולאי בוגוליובוב]]<!-- Bogoliubov --> כי ניתן לקבל את [[פונקציית הגל]] האופיינית של התורה, אשר התקבלה על סמך [[חשבון וריאציות|וריאציה]], על ידי שימוש ב[[טרנספורמציה קאנונית]] על ה[[המילטוניאן]]. כמו כן, בשנת [[1959]] הראה לב גורקוב<!-- Lev Gor'kov --> כי תורת BCS מזדהה עם תורת גינצבורג לנדאו בגבול בו הטמפרטורה קרובה לטמפרטורה הקריטית.

בשנת [[1962]] פותח הכבל מוליך-העל הראשון, העשוי סגסוגת [[ניוביום]]-[[טיטניום]], על ידי חוקרים מ[[וסטינגהאוס]]. פיתוחו של כבל זה הוביל ליצירת המגנטים הראשונים המבוססים על מוליכות-על. באותה שנה, גילה התאורטיקאי [[בריאן ג'וזפסון|בריאן דייוויד ג'וזפסון]]<!-- Brian David Josephson --> כי זרם מוליך-על יכול לזרום בין שני על מוליכים המופרדים ביניהם במבודד. תופעה זו, הנקראת כיום "אפקט ג'וזפסון", מנוצלת ליצירת רכיבים [[אלקטרוניקה|אלקטרוניים]], ביניהם ליצירת [[מגנטומטר]]ים רגישים (בעזרתם ניתן ללמוד את הקוונט של [[שטף]] מגנטי <math>\Phi_0 = \frac{h}{2e}</math> ובשילוב עם מדידות של [[אפקט הול הקוונטי]] למדוד את [[קבוע פלאנק]] בצורה המדויקת ביותר כיום). על עבודתו זכה ג'וזפסון בפרס נובל בפיזיקה לשנת [[1973]].

בשנת [[1986]], גילו [[יוהנס גאורג בדנורץ]] ו[[אלכסנדר מילר|קרל אלכסנדר מילר]], חוקרים של חברת [[יבמ]], [[תרכובת]] מבוססת [[לנתן]] לה תכונות מוליכות-על עם טמפרטורה קריטית של 35 קלווין, שהיא מעל לערך התאורטי העליון שהיה מקובל באותה התקופה לטמפרטורה קריטית של מוליכי על, שהוא 30 קלווין. תגלית זו זיכתה את מגליה בפרס נובל בפיזיקה בשנה העוקבת. זמן קצר לאחר מכן, גילה צ'ינג וו-צ'ו שתרכובת דומה בה מוחלף הלנטנום ב[[איטריום]], חומר המכונה [[YBCO]], היא בעלת טמפרטורה קריטית של 92 קלווין. תגלית זו עוררה עניין רב בין היתר משום שטמפרטורה זו גבוהה מטמפרטורת ה[[רתיחה]] של ה[[חנקן]], ולכן ניתן להגיע אליה על ידי קירור בעזרת [[חנקן נוזלי]] שהוא יחסית זול ופשוט לשימוש וייצור. מאז התגלו מוליכי-על נוספים בטמפרטורות גבוהות, אך טרם נמצא הסבר תאורטי המקובל בקהילה המדעית למנגנון היוצר את מוליכות-העל בטמפרטורות אלו.

== תיאור התופעה ==
=== התנגדות חשמלית אפסית ===
בחומרים רגילים, תלויה ה[[התנגדות חשמלית|התנגדות החשמלית]] ב[[טמפרטורה]] בקשר הדוק: עם ירידת הטמפרטורה יורדת ההתנגדות החשמלית. באופן כללי, ניתן להסביר תופעה זו על ידי מודל מיקרוסקופי [[פיזיקה קלאסית|קלאסי]] ופשטני שלפיו ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך מקבלים [[אטום|אטומי]] החומר יותר [[אנרגיה קינטית]] בדמות [[חום (פיזיקה)|חום]] ולכן יכולים להתנגש ביתר קלות עם האלקטרונים בגביש.

בצורה מדויקת יותר, תוך התייחסות ל[[תורת הקוונטים]], [[משפט בלוך]] קובע כי [[פונקציית הגל]] של אלקטרונים ב[[גביש]] סדור היא מחזורית ולכן בגביש מושלם בטמפרטורה אפסית תיתכן הולכה מושלמת, משום שגל האלקטרון "יחלוף" בצורה מחזורית על פני הגביש. הטמפרטורה גורמת לכך שאטומי החומר מקבלים אנרגיה קינטית ואינם נמצאים בדיוק בנקודות ה[[סריג בראבה|סריג]], אלא מתנודדים סביב נקודת שיווי משקל כלשהי, וגורמים לדעיכות מקומיות של [[פונקציית הגל]] של האלקטרון, כך שנדרשת השקעת אנרגיה על מנת לאפשר לאלקטרונים לעבור את הגביש. ככל שיורדת הטמפרטורה, כך יורדת האנרגיה הקינטית של אטומי החומר והם מתקרבים יותר ויותר לנקודת שיווי המשקל. עם זאת, גם בטמפרטורה אפסית, במוליך קלאסי, לא תתאפס ההתנגדות, הן משום שבגביש יש [[פגמים בגבישים|פגמים]] הגורעים ממחזוריותו המושלמת והן משום שישנן [[פלקטואציה|פלקטואציות]] קוונטיות במיקום האטומים.

עם זאת, ישנם חומרים מיוחדים הנקראים "מוליכי-על" בהם, לפי התאוריות המקובלות, החל מטמפרטורה מסוימת ומטה, עבור שדות מגנטיים מתחת לעוצמה מסוימת ועבור זרמים חשמליים מתחת לסף מסוים, מתאפסת לחלוטין ההתנגדות החשמלית. תכונה זו אושרה פעמים רבות ב[[ניסוי]], עד לטווח המדידות האפשרי (ניסיונית, ייתכן כי חומרים אלו הם בעלי התנגדות חשמלית שהיא מתחת ליכולת ה[[מדידה]] הידועה כיום, ולכן מאובחנים בטעות כבעלי התנגדות חשמלית אפסית).

=== דיאמגנטיות ===
{{ערך מורחב|אפקט מייסנר}}
מבחינת מוליכותו החשמלית, מוליך-העל זהה למוליך אידיאלי אך בפועל, מוליך-העל נבדל ממוליך אידיאלי בתכונת הדיאמגנטיות המושלמת: שדה מגנטי חיצוני כמעט שאיננו יכול לחדור לתוך מוליך-על, מעבר למרחק מסוים, בעוד ובמוליך אידיאלי ייתכן מצב של שדה מגנטי שאיננו מתאפס.

לפי [[חוק לנץ]], כל שינוי בשדה החיצוני המופעל על מוליך גורם להופעת זרמים המבטלים את השפעתו. עם זאת, במוליך רגיל, התנגדותו החשמלית גורמת לדעיכתם של זרמים אלו ולכן מופיע שדה מגנטי בחומר. במוליך אידיאלי, לעומת זאת, זרמים אלו לא ידעכו בהיעדר התנגדות ולכן לא ניתן לשנות את השטף המגנטי דרך מוליך אידיאלי. בפרט, אם המוליך האידיאלי נמצא בראשית בתנאים בהם אין שדה מגנטי ואז מופעל שדה מגנטי חיצוני, השדה המגנטי לא יחדור אליו בתהליך זה. לו היה מוליך מסוים מצוי בתנאים של שדה מגנטי ואז מקורר לתנאי מוליך-אידיאלי, שדה מגנטי זה היה "נכלא" בתוכו. [[מתמטיקה|מתמטית]], טענה זו נסמכת על [[חוק פאראדיי]]: עבור טבעת מוליכה בשטח A עם השראות L והתנגדות R הנמצאת בשדה חיצוני <math>B_0</math> מתקיימת הנוסחה <math>-A \frac{dB_0}{dt}=L\dot{I}+RI</math>. עבור R=0, נוסחה זו שקולה למעשה לקשר
<math>\ AB_0+LI=\text{const}</math>.

עם זאת, כאשר נערך ניסוי בו הופעל שדה מגנטי חיצוני על חומר שקורר למוליך-על, גם אם היה קיים בו שדה בראשית התהליך לפני שקורר עד לטמפרטורה בה הפך למוליך-על, התקבלו תוצאות השונות מאלו של מוליך אידיאלי: כאשר הונח חומר מתאים בשדה מגנטי וקורר עד למצב של מוליך-על, השדה בעומק מוליך העל התאפס. באופן כללי, בניגוד למוליך אידיאלי, מוליך-על כמעט שלא מאפשר לשדה מגנטי לחדור לתוכו, מעבר לסקלת אורך אופיינית מסדר גודל של עשרות או מאות ננומטרים, המסומנת <math>\ \lambda</math>. לכן, במקרה של מוליכי-על מקרוסקופיים, נוהגים לרוב להניח כי השדה הוא פשוט אפסי בתוך מוליך-העל. תופעה זו נקראת "אפקט מייסנר". תיאור החדירה של שדה מגנטי לתוך מוליך-על נתון ב[[נוסחה]] הבאה, הנקראת "משוואת לונדון".

<math>\nabla^2 \mathbf{B} = \frac{1}{\lambda^2}\mathbf{B}, \qquad \lambda \equiv \sqrt{\frac{m c^2}{4 \pi n_s e^2}} </math>

פתרונותיה של משוואה זו הם תלויי [[גאומטריה]], אך מצביעים ככלל על דעיכה חזקה מאוד של השדה המגנטי בתוך החומר בנוכחות שדה חיצוני, באשר <math>\ \lambda</math> הוא עומק אופייני לחדירת השדה.

=== מוליכי על מסוג ראשון ושני ===

החל מערך מסוים של שדה מגנטי ואילך, נפסקת יכולת מוליכות-העל של החומר. ניתן להצדיק תופעה זו מתמטית משיקולים [[תרמודינמיקה|תרמודינמיים]] (מציאת ערך מזערי של [[אנרגיה חופשית של גיבס]]). בתהליך זה מתחיל החומר [[מעבר פאזה|להיפרד לשתי פאזות]]: פאזת מוליכות-על ופאזה "רגילה" של מוצק בעל התנגדות סופית<!--, כמתואר באיור הבא -->.

<!-- איור 4- חומר ששדה המגנטי בו מגיע לערך קריטי נפרד לשתי פאזות של מוליכות; קל לראות השדה חודר דרך החלקים המוצללים באיור, הם החלקים המוליכים בחומר, אך לא חודר אל החלקים הלבנים באיור, בהם מתקיימת פאזת מוליכות-על. -->
בתווך בין שני החלקים, הנמצאים ב[[שיווי משקל תרמודינמי]], אצורה אנרגיית שטח. ישנם חומרים בהם אנרגיית השטח שלילית ולכן בתנאים מסוימים, מתחת לטמפרטורה והזרם הקריטיים ובין שני ערכים של שדה מגנטי, הם נוטים להפרד למצב ביניים בין מוליכות-על למצב רגיל, הנקרא "מצב מעורב", בו האנרגיה החופשית של גיבס קטנה יותר הן ממצב רגיל והן ממצב מוליך-על. ההיפרדות של חומרים אלו היא למצב בו החומר מופרד לתאים קטנים רבים, קטנים בהרבה מהסקאלה המאפיינת את מעבר הפאזה במוליכי-על עם אנרגיית שטח חיובית.
*לחומרים עם אנרגיית שטח חיובית ישנו, כאמור, ערך יחיד של שדה מגנטי קריטי שעבור שדה החזק ממנו החומר לא יהיה עוד מוליך-על. חומרים אלו נקראים "מוליכי-על מהסוג הראשון".
*לחומרים עם אנרגיית שטח שלילית, קיימים שני ערכים קריטיים של השדה המגנטי שבהם מתרחש מעבר פאזה: [[נקודה קריטית]] נמוכה שמתחת לה נמצא החומר במצב של מוליך-על רגיל, ונקודה קריטית שמעליה לה נמצא המוליך במצב רגיל. ביניהן נמצא החומר במצב של פאזה מעורבת, בה נפרד החומר לתאים-תאים קטנים. חומרים אלו נקראים "מוליכי-על מהסוג השני".

השדה הקריטי של מוליכי על מהסוג הראשון, וכן של השדה הראשון של מוליכי על מסוג שני, הוא נמוך יחסית - [[סדר גודל]] של 100–1000 [[גאוס (יחידת מידה)|גאוס]]. לעומת זאת, השדה הקריטי השני של מוליכי על מהסוג השני גבוה בהרבה, עד כדי 2–3 סדרי גודל, כלומר, כמה אלפי קילו-גאוס. מסיבה זו, משתמשים בדרך כלל במוליכי על מסוג שני על מנת ליצור שדות מגנטיים חזקים מאוד, למשל ב-[[MRI]], וזאת מאחר שהם יכולים להפיק אותם על ידי זרמים חזקים מאוד שיזרמו דרכם, וזאת מבלי להשקיע אנרגיה גבוהה במיוחד ביצירת הזרמים.

=== אפיון תרמודינמי ===
[[קובץ:Superconductor typeI phase doagrams.svg|ממוזער|250px|[[דיאגרמת פאזות]] של מוליך-על מהסוג הראשון. מצבים הכלואים בין המשטח האפור לבין הצירים הם מצבים בהם מתקיימת מוליכות-על.]]
הטמפרטורה, השדה המגנטי החיצוני והזרם הזורם במוליך-העל משנים את האנרגיה בתוכו כך שמעבר לערכים קריטיים מסוימים מצב מוליכות-העל נפסק משום שאיננו עוד עדיף אנרגטית על המצב הרגיל. במרחב התלת הממדי של טמפרטורה, זרם, ושדה ניתן להגדיר "נפח מוליכות-על" כך שעבור צירוף פרמטרים המתאים לנקודה הכלואה בנפח, החומר יהיה בפאזת מוליכות-על. דיאגרמת הפאזות המתאימה לעל מוליכים מהסוג הראשון מובאת באיור משמאל.

[[קובץ:Cvandrhovst.png|שמאל|ממוזער|250px|תלות של קיבול החום וההתנגדות הסגולית של החומר בטמפרטורה שלו]]
במוליכים, כמו גם בחומרים בעלי תכונות מוליכות-על מעבר לטמפרטורה הקריטית, [[קיבול חום|קיבול החום]] ה[[אלקטרון|אלקטרוני]] של החומר פרופרציוני לטמפרטורה. מעבר הפאזה מלווה בקפיצה אופיינית בקיבול החום של החומר שהופכת לתלות [[אקספוננט|אקספוננציאלית]] בטמפרטורה, כמתואר בגרף משמאל.

שאלת קיומו של [[חום כמוס]] בתהליך מעבר הפאזה המאפיין מוליכות-על ואפיון מעבר הפאזה (היינו – קביעה האם מעבר פאזה זה הוא מסוג ראשון או שני, להרחבה ראו [[מעבר פאזה]]) הייתה שאלה פתוחה עד שב[[שנות ה-80 של המאה ה-20]] נקבע הן ניסויית והן תאורטית שמוליכי-על מסוג ראשון עוברים מעבר פאזה מסוג ראשון המלווה בחום כמוס ושמוליכי על מסוג שני עוברים מעבר פאזה מסוג שני וללא חום כמוס.

== הסבר לתופעה ==
=== אפקט האיזוטופ וחשיבות הסריג ===
{{ערך מורחב|אפקט האיזוטופ}}
הניסיון מראה כי גם בין [[איזוטופ]]ים שונים של אותו החומר קיימת שונות בטמפרטורת המעבר הקריטית. מכך ניתן להסיק כי התאוריה של מוליכות-על צריכה להתייחס לא רק אל [[נושא מטען|נושאי המטען]] בחומר, אלא אף לאופי ה[[סריגי בראבה|סריג]], ובפרט לאופי היונים המאכלסים אותו. לכן, [[תאוריה]] מיקרוסקופית של מוליכות-על צפויה להתייחס גם לתכונותיו של הסריג. בהתאם לצפי זה, פרמטרים רבים של תורת BCS שתתואר בפסקה הבאה המתארת את תופעת מוליכות-העל בצורה מיקרוסקופית תלויים בתדירות [[אופני תנודה עצמיים|אופני התנודה העצמיים]] של הגביש.

=== תאוריית BCS ===
תאוריית BCS למוליכות-על הוצעה בשנת 1957 על ידי המדענים ג'ון ברדין, ליאון קופר וג'ון שרייפר, שעיקרה היא היווצרות קוונטית של [[זוג קופר|זוגות קופר]] על ידי פוטנציאל משיכה בין האלקטרונים, שנובע מתוך תנאי הסריג והרעידות שלו ([[פונון|פונונים]]).

בגביש מעשי, מקור תופעת ההתנגדות החשמלית הוא בכך שהאלקטרונים נעים בחומר ו[[פיזור|מתפזרים ממנו]]. תמונה מיקרוסקופית של פיזור זה מתארת עירור של [[אופן תנודה]] בגביש המתבטא בשחרור [[פונון]], שהוא ערעור בדיד של [[גל]] [[קול]] בגביש, המקביל ל[[פוטון]] בגל ה[[אור]].
ייתכן מצב שבו הפונון ששוחרר על ידי חלקיק מסוים ייקלט על ידי חלקיק אחר באינטראקציה מושכת. באופן כללי, ללא ההפרעה, [[רמת היסוד]] של שני האלקטרונים היא [[אנרגיית פרמי]], משום שלפי [[עקרון פאולי]] הם אינם יכולים לאכלס רמות אנרגיה נמוכות יותר (בטמפרטורה סופית, קביעה זו נכונה רק בקירוב, אך זהו קירוב טוב יחסית משום ש[[טמפרטורת החדר]] נמוכה בהרבה מ[[טמפרטורת פרמי]] האופיינית למתכות). רמת היסוד של הזוג מושפעת מן האינטראקציה של החלפת פונונים כך שפיזור של הצמד מהגביש, אם יתרחש, ניתן ל[[קירוב]] כהפרעה קטנה ולכן לפי [[תורת ההפרעות (מכניקת הקוונטים)|תורת ההפרעות הקוונטית]], יגרום להורדת רמת היסוד של הצמד אל מתחת לרמת פרמי.

אם לאלקטרונים גם [[ספין (פיזיקה)|ספין]] הפוך, אזי הזוג הנוצר הוא [[בוזון]] ולכן לא חייב לקיים את עקרון האיסור של פאולי, ולכן לאחר פיזורים יכולים להתקיים בו זמנית זוגות רבים שהאנרגיה שלהם יכולה להגיע למינימום שהוא אף מתחת לפעמיים אנרגיית פרמי. ניתן להראות כי כאשר ה[[תנע]] הכולל הוא אפס, היינו – לאלקטרונים תנעים בכיוונים מנוגדים, ייווצרו הזוגות הרבים ביותר. לכן, זהו המצב המועדף אנרגטית ולכן נוצרים בחומר צמדים מסוג זה. צמד של אלקטרונים הנמשכים זה לזה בקשר מסוג זה נקראים "צמד קופר". ההגבלה היחידה על מספר הצמדים בחומר נובעת מעקרון האיסור של פאולי, המגביל את מספר המצבים האפשריים של שני אלקטרונים מנוגדי תנע וספין במתכת, בטרם נוצרו הזוגות.

אוסף הצמדים הוא מעין "[[עיבוי בוז-איינשטיין|זורם בוז-איינשטיין מעובה]]" בטמפרטורות נמוכות דיין. מה קורה אם המערכת נמצאת בטמפרטורה נמוכה בה עברו כל הזוגות עיבוי בוז-איינשטיין? כאשר הזוג עובר פיזור מאלמנט שריג, אם אנרגיית הפיזור קטנה מפער האנרגיה עד לרמת האנרגיה הבאה של הזוג, אזי המפזר לא יכול לשנות את התנע והאנרגיה של הזוג ובכך לשבור אותו (בדומה לאלקטרון המאכלס את רמת היסוד באטום, אך לא מאבד בה אנרגיה עקב האצה). האנרגיה שיכול להעביר המפזר לזוג נקבעת לפי האנרגיה הקינטית של אלמנטי המפזר שהיא, למעשה, [[אנרגיית חום]]. לכן, על מנת לשמר את זוגות הקופר במערכת, יש לשמור את המערכת מתחת לרף טמפרטורה מסוים.

אם במצב זה, מסיבה מסוימת, מוסט התנע הממוצע של האלקטרונים בגביש ב[[וקטור (פיזיקה)|וקטור]] תנע קבוע, [[מרכז המסה]] של כל צמד קופר ינוע בממוצע עם וקטור התנע המוסט, כאשר התנע והאנרגיה הכוללים של כל זוג לא יכולים להשתנות כיוון שלשם כך יש לעורר את הזוג ולשבור אותו. זרם שכזה, אם לא תשונה האנרגיה של המערכת, יכול להמשיך ללא הפרעה בלא הגבלה של זמן ולכן ההתנגדות החשמלית של החומר מתאפסת.

עולה השאלה – מדוע אלקטרוני ההולכה בחומר, הנמצאים בו בה-בעת עם זוגות הקופר, אינם גורמים לקיומה של התנגדות במערכת? ניתן להתייחס אל [[מודל]] המתאר את המערכת הנדונה כסריג המוקף "[[נוזל-על]]" של זוגות קופר וגז אלקטרונים "רגילים". כאשר מחברים שני הדקי [[מקור מתח]] לדגם, הרי שהדבר דומה לשני [[נגד]]ים המחוברים [[נגד#חיבור מקבילי|במקביל]] בין הדקי המקור – נגד עם התנגדות אפסית המייצג את אוסף זוגות הקופר ונגד בעל התנגדות סופית הגדולה מאפס המייצג את אלקטרוני ההולכה אשר פיזוריהם גורמים להפסדי האנרגיה. במצב זה, לפי חוקי החשמל, הזרם יזרום במלואו דרך הנגד שהתנגדותו אפסית, היינו – "על הנוזל" של זוגות הקופר.

=== תאוריית גינצבורג לנדאו ===
{{ערך מורחב|תאוריית גינצבורג לנדאו}}
[[ויטאלי גינזבורג]] ו[[לב לנדאו]] הציעו תאוריה מקרוסקופית לתיאור מוליכי-על בה הניחו שני [[פרמטר]]ים המתארים את החומר וכן [[פרמטר חופשי]] [[מספר מרוכב|מרוכב]], אותו סימנו באות ה[[יוונית]] [[פסי]] (<math>\ \psi</math>) שהוא פרמטר הגודל של הבעיה. מנקודת מבט מודרנית, בהנחה כי נושאי המטען – הם זוגות קופר – יוצרים נוזל-על, הרי שמשמעותו של <math>\ |\psi|^2</math> היא החלק היחסי מכלל האלקטרונים בחומר שהם זוגות קופר. ניתוח הדורש מציאת ערך מזערי של האנרגיה החופשית בנוכחות שדה חיצוני, אותה [[טור טיילור|פיתחו]] עד סדר רביעי בפרמטר הגודל <math>\ \psi</math>, מניב תלות בשני פרמטרים חשובים, הם עומק החדירה <math>\ \lambda</math> שהוזכר לעיל במסגרת הדיון במשוואות לונדון (אף כי במסגרת תורה זו הוא מבוטא על ידי הפרמטרים של תורת גינצבורג-לנדאו) וכן פרמטר נוסף – אורך הקוהרנציה <math>\ \xi</math> – שבמונחים מודרניים מבטא את סדר הגודל של אורכם של זוגות קופר. היחס ביניהם <math>\varkappa \equiv \frac{\lambda}{\xi}</math> נקרא "פרמטר גינצבורג-לנדאו". תוצאה חשובה של התאוריה קובעת האם על מוליך מסוים הוא מסוג ראשון או שני בתלות בערכו של פרמטר זה: אם <math>\varkappa<\frac{1}{\sqrt{2}}</math>, החומר הוא מוליך-על מהסוג הראשון, אחרת – מהסוג השני.

== מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה ==
{{ערך מורחב|מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות}}
{{לעדכן|סיבה=ב2020 התגלה חומר שהופך למוליך על בטמפרטורה גבוהה בלחץ גבוה{{הערה|{{דוידסון|אסף שינפלד|פריצת דרך: מוליך-על בטמפרטורת החדר|sciencenews/פריצת-דרך-מוליך-על-בטמפרטורת-החדר|18 באוקטובר 2020}}}}|נושא=מדעי הטבע
}}
מוליכות-העל שנדונה בסעיפים קודמים והסברה בצורה מיקרוסקופית על ידי תאוריית BCS מתקיימת בטמפרטורות נמוכות יחסית, כאשר הגבול התאורטי שהוערך בו תוכל מוליכות-על להתקיים לפי תאוריית BCS הוא 30 [[קלווין]]. עם זאת, בחלוף הזמן התגלו גם חומרים המגלים תכונות של מוליכות-על אף בטמפרטורות גבוהות יותר, חלקן אף גבוהות יותר מטמפרטורת ה[[רתיחה]] של [[חנקן]], היא 77 קלווין. לאלו האחרונים חשיבות רבה מבחינה טכנולוגית, שכן קירור בעזרת [[חנקן נוזלי]] הוא יחסית זול ופשוט. למשל, טמפרטורת המעבר של החומר YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7</sub>, המכונה לעיתים [[YBCO]], היא 93 קלווין. חומרים אלו נקראים "מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה". כיום, לא ידוע מהו המנגנון הגורם לתופעת המוליכות בחומרים אלו ובעיה זו היא מבין הבעיות הפתוחות המשמעותיות ב[[פיזיקת מצב מוצק]]. בפרט, נשאלת השאלה האם ישנו ערך עליון לטמפרטורה הקריטית של מוליכי על והאם ישנם מוליכי על אשר הטמפרטורה הקריטית שלהם היא מסדר גודל של [[טמפרטורת החדר]], או אף מעליה, שכן מוליכות-על בטמפרטורת החדר יכולה להיות בעלת שימושים טכנולוגיים רבים.

== שימושים ==
{{להשלים|נושא=מדעי הטבע}}
[[סליל השראה|סליל]]ים של מוליכי-על יכולים ליצור שדות מגנטיים חזקים למדי שאינם דועכים עקב אי דעיכתו של הזרם הזורם ללא התנגדות. לפיכך, [[אלקטרומגנט]]ים מבוססי מוליכי-על הם יעילים למדי ומשמשים במספר התקנים בהם נדרשים שדות מגנטיים חזקים, כמו מכשירי [[תהודה מגנטית גרעינית]], [[דימות תהודה מגנטית]], [[רכבת ריחוף מגנטי|רכבות ריחוף מגנטי]] ו[[מאיץ חלקיקים|מאיצי חלקיקים]].

ל[[אפקט ג'וזפסון]], בו זורם זרם דרך שני מוליכי-על שביניהם [[מבודד]] (תצורה הנקראת "צומת ג'וזפסון"), מספר שימושים גם כן. התקנים הנעזרים בצמתי ג'וזפסון משמשים כבסיס ל[[מגנטומטר]]ים רגישים ולטכנולוגיה הנעזרת בהם, כמו דימות של זרמים חלשים או חלקיקים מגנטיים על פני משטחים.

מעברי הפאזה האופייניים למוליכי-על, כמו גם תכונות [[מכניקת קוונטים|קווינטוט]] אופייניות של הזרמים מוליכי-העל משמשים לצורכי [[מיתוג]] ו[[חישה מרחוק|חישה]]. כך, למשל, במערכת ה[[כריוטרון]]<!-- Cryotron --> המשמשת לבקרת זרם, זרימת זרם מעבר לסף מסוים תשרה שדה מגנטי העולה על השדה הקריטי של מוליך-על בו עובר זרם בקרה ותורה למערכת הבקרה על חריגה מהזרם הקריטי.

==מקורות==
<div style="direction: ltr;">
* A. C. Rose-Innes and E. H. Rhoderick, '''Introduction to Superconductivity''', (Pergamon Press, Oxford, 1978)
</div>
==קישורים חיצוניים==
{{ויקישיתוף בשורה}}
* TED,[http://www.ted.com/talks/boaz_almog_levitates_a_superconductor?language=he ריחוף של מוליך על], באתר [[ועידת TED|Ted]]
* {{ynet|מגזין|אלי זלדוב מגיש: מתכון למגנט מרחף|3777262|16 בספטמבר 2009}}
* הידען-פיזיקה, [http://www.hayadan.org.il/topic/מוליך-על/ מוליך על], באתר [[הידען]]
* {{ynet|רן לוי (סופר)|מהי מוליכות-על?|3831292|12 בינואר 2010}}
* {{אודיסאה|דן שחר|להעלים את ההתנגדות|13|35|אוקטובר 2011}}
* {{בריטניקה}}
* {{דף שער בספרייה הלאומית|987007548597005171|מוליכות על}}
* {{הארץ|גדעון לב|חוקרים מטילים ספק במציאת מוליך-על חדש בקוריאה|00000189-e0e8-db6f-a1e9-e4fe1fbe0000|11 באוגוסט 2023}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:פיזיקה של חומר מעובה]]
[[קטגוריה:אלקטרומגנטיות]]