גילוי מקורות של על-מוליכות לא הומוגנית ב-La3Ni2O7

מדוע איים זעירים של על-מוליכות חשובים

מוליכי-על — חומרים שמוליכים חשמל ללא התנגדות — מבטיחים קווי חשמל יעילים במיוחד, מגנטים חזקים ואלקטרוניקה מהירה יותר. מחלקה חדשה המבוססת על ניקל, במקום על נחושת, הפתיעה לאחרונה חוקרים בכך שפועלת בטמפרטורות גבוהות באופן חריג, אך רק כאשר היא נדחסת בין מסמרות יהלום ללחצים עצומים. המאמר הזה שואל שאלה מטעה בפשטותה אך בעלת משמעות רחבה: כאשר גבישים מבוססי הניקל "עוברים למצב של מוליכות-על", האם כל חלקי הקריסטל משתתפים, או שרק אזורים קטנים? ומה בדיוק שולט היכן מופיעה ועל מה נעלמת המוליכות-על?

לראות זרמים נסתרים תחת לחץ עצום

כדי לענות על כך, הכותבים בוחנים תרכובת בשם La3Ni2O7, תחמוצת ניקל מרובת שכבות שהופכת למוליכת-על מעל לנקודת רתיחת חנקן נוזלי כאשר היא נדחסת ליותר מ-100,000 פעמים הלחץ האטמוספירי. עבודה בתנאים קיצוניים כאלה בדרך כלל מונעת דימות מפורט. כאן, הצוות הופך את תא הלחץ עצמו למיקרוסקופ על-ידי הטמעת שכבת חישה דקה של פגמים אטומיים מיוחדים, המכונים מרכזי חיסרון-חנקן, ממש מתחת לפני השטח של אחד ממסמרות היהלום. חיישנים קוונטיים אלה זוהרים באופן שונה בהתאם לשדות מגנטיים מקומיים ולמתחים פנימיים, ומאפשרים לחוקרים לצלם "תמונות" רחבות-שדה גם של המגנטיות וגם של הלחץ ברזולוציה תת-מיקרונית בזמן שהמדגם נלחץ.

מיפוי על-מוליכות טלאית במרחב אמיתי

כאשר חומר הופך למוליך-על, הוא מדחה שדה מגנטי מתוך נפחו — סימן היכר הידוע כאפקט מייסנר. על ידי קירור La3Ni2O7, יישום שדה מגנטי עדין וקריאת חיישני הקוונטים על פני משטח היהלום, הכותבים משחזרים מפה מפורטת של השדה מעל המדגם. אזורים שבהם השדה לדוי מסמנים טלאים מוליכי-על; אזורים שבהם השדה מוגבר משרטטים איפה קווי השדה נדחקים או מתרכזים. מפות אלה מגלות שהעל-מוליכות ב-La3Ni2O7 רחוקה מלהיות אחידה: במקום שהקריסטל כולו יהפוך במקבץ למוליך-על, רק כיסים לא-סדירים בגודל מיקרוני עושים זאת, בצורות ומיקומים שמשתנים ככל שהלחץ והטמפרטורה משתנים. הצוות גם מתצפת על שטף מגנטי כלוא שננעל בתוך המדגם כאשר הוא מקורר בשדה, שוב באזורים מקומיים החופפים את תגובת העל-מוליכות החזקה ביותר.

כיצד דחיסה והחלקה משפיעות לטוב ולרע

מכיוון שאותם פגמי קוונטום רגישים גם למתח מכני, החוקרים יכולים בו-זמנית לשחזר כיצד המדגם נלחץ. הם מבחינים בין מתח נורמלי, שלוחץ ישר כלפי מטה על הקריסטל, לבין מתח גזירי, שגורם לשכבות להחליק זו מול זו. על-ידי קורלציה של ההתנהגות המגנטית פיקסל-אחר-פיקסל עם שני רכיבי המתח הללו, הם מראים שהעל-מוליכות מופיעה תחילה בנקודות החוות מתח נורמלי גבוה מהממוצע, מה שמסביר מדוע מדידות כלליות רואות תחילה הופעה רק בטווח לחצים רחב. במפתיע יותר, הם מגלים שכאשר המתח הגזירי חורג בערך מ-2 גיגה-פסקל, העל-מוליכות מדוכאת חזק או אינה קיימת כלל, גם אם הדחיסה הנורמלית מותאמת אחרת. זה מוביל לדיאגרמת פאזה תלת-ממדית משופרת שבה טמפרטורה, לחץ ישיר וגזירה צידית יחד קובעים האם אזור מיקרוסקופי מסוים מוליך-על.

פסי כימיה וכיסי מוליכות-על

לאחר מכן הצוות בוחן מדגמים שההרכב הכימי שלהם הותאם במודע להיות פחות הומוגני. בגביש אחד, יחס הלנתאן לניקל משתנה בפסים רחבים, כפי שנמדד על ידי ספקטרוסקופיית קרני איקס מפזרת-אנרגיה. ברמה הגלובלית, מדגם זה אינו מראה ירידה ברורה בהתנגדות החשמלית, אשר בדרך כלל הייתה מסמנת מוליכות-על. ובכל זאת התמונות המגנטיות הקוונטיות חושפות כיסים קטנים וברורים שכן הופכים לדיאמגנטיים בטמפרטורה נמוכה. כשהמחברים חופפים את המפות המגנטיות והכימיות הם מוצאים שכיסים אלה יושבים בדיוק במקום בו ההרכב המקומי קרוב ביותר ליחס האידיאלי של 3:2 בין לנתאן לניקל. אזורים שעשירים מדי בניקל או בלנתאן נכשלו במוליכות-על לחלוטין. במילים אחרות, החומר יכול להכיל איים של מוליכות-על שהם נדירים מדי כדי להשתלט על ההתנגדות הכוללת, אך נראים בבירור בתמונות מגנטיות מקומיות.

להפוך ליקויים למפת דרכים

ביחד, ניסויים אלה מראים שהעל-מוליכות בטמפרטורה גבוהה ב-La3Ni2O7 בלחץ היא גם שבירה וגם רגישת מאוד לסביבה המיקרוסקופית שלה. שינויים מקומיים בלחץ, בגזירה ובסטוכיומטריה מפצלים את הקריסטל לטלאים מוליכי-על ולא-מוליכי-על, מה שמסביר מדוע מדידות כלליות לעתים קרובות רואות אותות חלשים או "פילמנטריים". על ידי התייחסות לאי-הומוגניות זו כתכונה ולא ככשל, המחברים משתמשים בקריסטל יחיד כדי למפות כיצד שילובים שונים של מתח והרכב תורמים או הורגים את העל-מוליכות. עבור קורא לא-מומחה, המסר המרכזי הוא שעשיית מוליכי-על ניקלטיים טובים יותר לא תדרוש רק את הלחץ או הכימיה הממוצעת הנכונים — היא תדרוש שליטה קפדנית על שינויים מכניים וכימיים זעירים שקובעים היכן וכמה בעוצמה יכולים לזרום זרמי-על.

ציטוט: Mandyam, S.V., Wang, E., Wang, Z. et al. Uncovering origins of heterogeneous superconductivity in La₃Ni₂O₇. Nature 651, 54–60 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10095-x

מילות מפתח: מוליכי על ניקלטיים, פיזיקה בלחץ גבוה, חישה קוונטית, מהנדס מתיחה, La3Ni2O7