מוליכות-על בכיוון אחד

לפעמים שילוב של שתי תופעות פיזיקליות יכול להניב תופעה חדשה ומרתקת. מדענים מיפן ומארצות הברית, עם פרופ' רשף טנא ממכון ויצמן למדע, גילו כי מוליכות-על עשויה להיות חד כיוונית בתנאים מסוימים, מה שעשוי לאפשר להבין טוב יותר את התהליכים המאפשרים מוליכות-על, ואולי לסלול את הדרך ליישומים חדשים.

מוליכות-על היא תופעה אקזוטית המשלהבת את הדמיון: הולכה של זרם חשמלי ללא התנגדות, כלומר בלי איבוד אנרגיה בדרך כפי שקורה היום, כשחוטים או כבלים מתחממים ומפסידים לסביבה חלק גדול מהאנרגיה שהם מוליכים. היינו רוצים להשתמש במוליכי-על כדי להעביר החשמל בכל העולם, אך זה לא אפשרי מכיוון שהתופעה מתרחשת רק בחומרים מסוימים ורק כאשר מקררים אותם לטמפרטורות נמוכות במיוחד. נכון להיום, הטמפרטורה הגבוהה ביותר שהושגה בה מוליכות-על נמוכה מ-100 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, ולכן יישומים של מוליכות-על מוגבלים מאוד לפי שעה.

תופעה נוספת בעולם הפיזיקה היא השפעת הכיראליוּת של חומרים על מעבר האלקטרונים בהם. כיראליוּת היא תכונה המזכירה תמונת ראי: שתי מולקולות בעלות הרכב כימי זהה, אפשר לסדר בצורה שלא יהיו חופפות זו לזו. דוגמה מצויינת לאובייקט כיראלי היא כפות הידיים שלנו – שיקוף של יד ימין לא ייתן שוב את יד ימין, אלא את יד שמאל ולהיפך. קובייה, לעומת זאת חופפת גם לתמונת המראה שלה.

במחקר החדש שילבו החוקרים מוליכות-על וכיראליות וגילו תופעה חדשה: מוליכות-על חד כיוונית.  החוקרים גידלו צינורות בגודל כמה ננומטרים (מיליארדיות המטר) של החומר טונגסטן די-סולפיד (WS₂), וחקרו את התכונות החשמליות שלהם. מתברר כי כמפעילים מתח חשמלי על הצינורות בתנאים מסוימים, הם הופכים למוליכי על בטמפרטורה של 5.8 מעלות קלווין (כ-267 מעלות צלזיוס מתחת לאפס).

בנוסף, החוקרים גילו כי הפעלת שדה מגנטי במקביל לכיוון הצינורות גורמת לכך שהולכת הזרם החשמלי אינה סימטרית. ההתנגדות החשמלית שונה כאשר מזרימים זרם מנקודה א' ל-ב' וכאשר עושים זאת מנקודה ב' ל-א'. החוקרים מייחסים את התופעה לאופי הכיראלי של הצינורות, הבנויים באופן כזה שהאטומים המרכיבים אותה יוצרים מעין סליל.

התופעה המוזרה של מוליכות-על שאינה סימטרית יכולה להוסיף מידע על תופעת מוליכות העל, ויכולה לשמש גם כדיודה – רכיב שמאפשר מעבר זרם רק לכיוון אחד – עבור "זרם על". החוקרים עדיין אינם בטוחים מה בדיוק גורם לתופעה, אך הם מביעים במאמר תקווה כי באמצעותה יוכלו לחקור תופעות אקזוטיות הקשורות במוליכות-על.