הולכות-על-עצמן סופראקונדוקטיביות חוזרות במערך יוסף-סון טבעי המכוון על ידי עוצמת רדיו-תדר

זרמי חשמל הזורמים ללא דחיפה

ברוב הזמן, כאשר חשמל זורם דרך חוט הוא מבזבז אנרגיה כחום. סופראקונדוקטורים הם חומרים מיוחדים שבהם הזרם יכול לזרום ללא אובדן זה, אך הם בדרך כלל פועלים רק בתנאים מחמירים של טמפרטורה נמוכה ושדה מגנטי חלש. המחקר הזה חוקר טוויסט בלתי שגרתי בהתנהגות זו, שבו נראה שסופראקונדוקטור נסגר ואז נפתח שוב כשמשנים תנאים, וחושף פיזיקה חבויה ועשירה שעשויה לסייע בעיצוב מכשירים קוונטיים עתידיים.

חומר פשוט עם רשת נסתרת

החוקרים מתמקדים באלומיניום גרגירי, סרט דק המורכב מאלפי גרעינים מתכתיים סופראקונדוקטיביים זעירים המופרדים במעברי בידוד דקים. יחדיו גרעינים אלה יוצרים רשת טבעית של קישורים חלשים לאלקטרונים, הידועה לפיזיקאים כמעין מערך צמתות יוסף-סון. אף שכל צומת פשוטה בפני עצמה, כל הרשת יכולה להציג התנהגות קולקטיבית מורכבת. אלומיניום גרגירי מושך במיוחד כי הגרעינים בו קטנים מאוד, מה שמגביר אפקטים קוונטיים ומאפשר למדענים לכוונן עד כמה בקלות האלקטרונים נעים בין הגרעינים.

שימוש בגלי רדיו ככפתור כוונון

במקום לבנות מחדש את החומר בכל פעם שרצו לשנות את תכונותיו, הצוות השתמש בעוצמת תדר רדיו כשלט רחוק. הם שלחו אות רדיו דרך המכשיר בזמן שעברו גם זרם ישר קטן והתאימו טמפרטורה ושדה מגנטי. על־ידי הגברה הדרגתית של עוצמת הרדיו הם יכלו לדחוף את המערכת ממצב חלק, סופראקונדוקטיבי לחלוטין, למצב מבודד שבו הזרם נחסם בחוזקה וההתנגדות נהיית גבוהה בעשר פעמים מאשר במצב המתכתי הרגיל הלא-סופראקונדוקטיבי. בטמפרטורות נמוכות הם גם ראו רמות מתח גדולות כשהם שינו את הזרם, הידועות כצעדי שפארו ענקיים, המצביעים על כך שריבוי הקישורים החלשים ברשת פועלים בקורדינציה כאילו היו צומת יחיד ומתואמת היטב.

סופראקונדוקטור שעוזב וחוזר

האפקט הבולט ביותר הופיע כאשר הצוות מיפיין כיצד ההתנגדות משתנה הן עם הטמפרטורה והן עם עוצמת הרדיו. בעוצמת רדיו מסוימת, החומר מתחיל כסופראקונדוקטיבי בטמפרטורה נמוכה מאוד, לאחר מכן הופך למבודד כשמעלים את הטמפרטורה, ואז, בהפתעה, נעשה סופראקונדוקטיבי שוב בטמפרטורה גבוהה יותר לפני שאחר כך הופך למתכת רגילה. במילים אחרות, ההולכה המושלמת נעלמת, חוזרת ואז נעלמת פעם נוספת כאשר המדגם מתחמם. חזרה דומה של סופראקונדוקטיביות מופיעה גם כאשר מוחל שדה מגנטי בתנאים המתאימים.

ריבוי חלקיקים הפועלים יחד

כדי להבין את החזרת הסופראקונדוקטיביות המבלבלת הזו, המחברים משווים את ממצאיהם לתמונה תיאורטית שפותחה עבור רשתות של קישורים חלשים. בנקודת מבט זו לא רק הקלות של זרימת הזרם בין הגרעינים חשובה, אלא גם עד כמה המטען החשמלי נעול על כל גרעין. בטמפרטורות גבוהות יותר, חלקיקים טעונים ניידים במערך יכולים להצליל, או להחליש, את הדחייה בין מטענים, ובכך להקטין את העונש על העברת מטען מגרעין לגרעין. אף שטמפרטורה גבוהה בדרך כלל פוגעת בסופראקונדוקטיביות, ברשת זו היא עשויה דווקא להעדיף את המצב השיתופי על ידי הפחתת אפקט הנעילה. התנהגות מרובת-חלקיקים זו חורגת ממה שצומת בודדת יכולה להציג.

מדוע זה חשוב לטכנולוגיה עתידית

המדידות והדגמים יחד מראים כי מתכת גרגירית בעלת מראה פשוט יכולה לשמש כמרחב משחק ניתן לשליטה למצבים קוונטיים מורכבים. על־ידי כוונון עוצמת הרדיו, הטמפרטורה והשדה המגנטי, אותו מכשיר ניתן להחליף בין מצב סופראקונדוקטיבי קשיח, מצב מבודד הנשלט על ידי תנודות קוונטיות, ומצב סופראקונדוקטיביות חוזרת המונע על ידי הולכת מטענים מרובת-גופים. גמישות זו מרמזת שאלומיניום גרגירי וסופראקונדוקטורים דומים יכולים לשמש לבניית מעגלים קוונטיים חדשים ולמערכות מודל לחקירת האופן שבו רשתות גדולות של אלמנטים קוונטיים מייצרות התנהגות קולקטיבית מפתיעה.

ציטוט: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

מילות מפתח: סופראקונדוקטיביות חוזרת, אלומיניום גרגירי, מערך צומת יוסף-סון, כוונון בתדר רדיו, מעבר פאזה קוונטי

למידע נוסף באתר קבוצת המחקר: https://daganlab.sites.tau.ac.il/