הערת המערכת: פרס נובל לפיזיקה לשנת 2003 הוענק לשלושה פיזיקאים על הישגיהם בחקר תופעות של על-מוליכות ועל-נוזליות. פרופ' ויטלי גינצבורג ופרופ' אלכסיי אבריקוסוב הם מהפדרציה הרוסית, פרופ' אנטוני לגט הוא מארצות הברית. בחרנו להביא בגיליון זה, באדיבותה של ועדת נובל, את הטקסט המלא של הרצאת נובל שנתנה ע"י פרופ' ויטלי גינצבורג (בקובץ PDF). עשינו זאת לא רק בגלל ההיבט המדעי של הרצאתו, אלא גם בגלל העובדה שפרופ' גינצבורג מצייר בהרצאתו תמונה מעניינת על התפתחות הפיזיקה בברית המועצות לשעבר, בה לקחו חלק חשוב פיזיקאים ממוצא יהודי. אנו מודים לפרופ' עדי שטרן ממכון ויצמן למדע על דברי ההקדמה להרצאתו של פרופ' ויטלי גינצבורג.

הקדמה להרצאתו של פרופ' ויטאלי גינצבורג
שנישאה לרגל קבלת פרס נובל לפיזיקה

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2003 הוענק לפרופ' ויטאלי גינצבורג, אלכסיי אבריקוסוב ואנתוני לגט על תרומתם להבנה התיאורטית של על-מוליכות ועל נוזליות, שתי תופעות פיזיקליות מפליאות שהתגלו בתחילת המאה העשרים.

על-מוליכות מתגלה במערכות אלקטרוניות מסוימות בטמפרטורות נמוכות, ומאופינת על-ידי שתי תכונות יוצאות דופן. הראשונה היא זרם חשמלי ללא כל התנגדות, כלומר גם ללא כל חימום. השניה, הקרויה אפקט מייזנר, היא היכולת לדחות שדות מגנטיים. כשחומר על-מוליך נמצא בשדה מגנטי חלש, נוצר על שפת החומר זרם חשמלי מעגלי המכונה "זרם דיאמגנטי". זרם זה יוצר בעצמו שדה מגנטי נוסף. השדה הנוסף מבטל את השדה החיצוני בתוך החומר, ומגביר אותו מחוץ לחומר. כך "נדחה" השדה אל מחוץ לגבולות החומר העל-מוליך. על-נוזליות היא תופעה דומה המאפינת נוזלים מסוימים בטמפרטורות נמוכות: על-נוזל נע ללא כל חיכוך עם דפנות הכלי בו הוא נמצא. במקרה זה זהו מצב של אטומי החומר, ולא רק של האלקטרונים שלו. היכולת של מערכת (אלקטרונית או אטומית) לנוע תנועה לחלוטין חסרת חיכוך, למרות היותה באינטראקציה עם סביבתה, היא מפליאה, כפי שקל להבין מנסיון יום-יומי.

ההבנה התיאורטית של על-מוליכות ושל על-נוזליות כללה שני שלבים: בשלב הראשון פותחה תיאוריה פנומנולוגית. בשלב השני הובן לעומקו המנגנון המיקרוסקופי היוצר את שתי התופעות. התיאוריות שפותחו בשני השלבים הן מההישגים הכבירים של הפיזיקה של המאה העשרים, וזאת למרות שרבים מהיבטיהן עדיין לא מובנים די צרכם.

פרופ' גינצבורג היה מראשוני המפתחים של התיאוריה הפנומנולוגית, שלרוב נקראת תיאורית גינצבורג-לנדאו (בהרצאה הוא קורא לתיאוריה, בצניעות אלגנטית, תיאורית ה"פסי"). תאוריה זו שמה לעצמה למטרה לבנות כלים לניתוח התכונות הפיזיקליות של מצבי-חומר מיוחדים אלו, ובמיוחד של הדרך שבה הם מגיבים לכוחות חיצוניים ולשינויי טמפרטורה,וזאת ללא כל הבנה של הסיבה הגורמת למצבים אלו להיווצר. במבט ראשון, קשה לראות איך ניתנת מטרה כזו להשגה. במבט מעמיק יותר, התיאוריה משתלבת בסדרה של תאוריות חשובות בפיזיקה, הבנויות על שילוב של תוצאות נסיוניות עם עקרונות כלליים, ומשלימות עם העדר הבנה של הסיבות המיקרוסקופיות להתנהגות הנצפית בנסיון. למרות שמטרתה של התיאוריה הייתה להסביר את המצב העל-מוליך, היא התגלתה ב-54 שנות קיומה כמפתח להבנה של מצבי חומר רבים נוספים שבהם האינטראקציה בין חלקיקים, בצרוף עם תכונה קוונטית יחודית ("סטטיסטיקה בוזונית"), יוצרים אפשרות לתנועה ללא חיכוך.

תיאורית גינצבורג-לנדאו מתארת את העל-מוליך באמצעות "פרמטר סדר". פרמטר הסדר הוא שדה מרוכב, כלומר פונקציה שמתאימה מספר מרוכב לכל נקודה בחומר. גודלו של המספר המרוכב מציין את צפיפות האלקטרונים העל-מוליכים בנקודה אותה הוא מתאר. הדרך שבה פרמטר הסדר משתנה מנקודה לנקודה (הגרדיאנט) מתארת את הזרם החשמלי בכל נקודה. הצורה הבסיסית של הצימוד בין פרמטר הסדר לבין הפוטנציאלים האלקטרומגנטיים נקבעת כמעט לחלוטין על פי הדרישה ל"סימטרית כיול", ובמילים פשוטות, הדרישה לשימור המטען החשמלי. גינצבורג ולנדאו הציגו משיקולים כלליים כגון אלו את הדרך שבה האנרגיה החופשית של על-מוליך תלויה בפרמטר הסדר. בעקבות כך הם הראו איך הדרישה למינימיזציה של האנרגיה החופשית מתארת את השתנות פרמטר הסדר תחת השפעה של שדות חשמליים ומגנטיים שאינם תלויים בזמן, ומאפשרת לחשב איך מגיבה המערכת לשדות אלו. הרחבות מאוחרות יותר כללו גם דרכים לניתוח של מצבים תלויים בזמן.

מושג "פרמטר הסדר" התגלה עם השנים כמושג מפתח בתיאור של מעברי פאזה מסדר שני (שורשיו של המושג הם בעבודתו של לנדאו, מורו ורבו של גינצבורג, על מעברי פאזה אלו), של על נוזליות, של ערורים טופולוגיים, של אפקט הול הקוונטי ועוד ועוד. באופן מעט שטחי ניתן לומר שפרמטר הסדר מתאר את ההתנהגות הקוונטית הקולקטיבית של החומר, שהיא המאפשרת זרימת זרם ללא אובדן אנרגיה לחום. מערכת קוונטית רבת חלקיקים מתוארת על ידי פונקצית גל שמספר המשתנים שלה כמספר החלקיקים במערכת. פרמטר הסדר, לעומת זאת, הוא פונקציה של משתנה אחד בלבד, המתאר, במובן מסוים, את ההתנהגות הקולקטיבית של כל חלקיקי המערכת.

בהרצאתו, פרופ' גינצבורג סוקר כמה ממחקריו בתחום של על-מוליכות ועל-נוזליות, ומקדיש חלק (קטן) מהסקירה לתיאורית גינצבורג-לנדאו. בנוסף לה הוא דן בשאלת העל-מוליכות בטמפרטורה גבוהה ובטמפרטורת החדר, ובקיומם של אפקטים תרמואלקטריים בעל מוליכים. הוא מסיים ברשימת נושאים שעל-פי דעתו מהווים את מינימום ההשכלה הבסיסית לה נדרש פיזיקאי פעיל בתחומים המהווים את חזית הפיזיקה בת זמננו.

הקליקו כאן לקריאת תוכן ההרצאה במלואה (PDF/באנגלית)