1.9: קיר המתח ומוליך הגל של מסדרון המתח

דף הבית ／ פרק 1: תורת סיבי האנרגיה

I. קיר המתח

• הגדרה ודימוי אינטואיטיבי
  קיר המתח הוא אזור דמוי קיר שנוצר כאשר מפל המתח גדול מאוד והוא מצמצם את ההחלפה בין הפנים לחוץ. הגבול איננו חלק ואידאלי אלא בעל עובי, כביכול נושם, ובו גרעיניות ונקבוביות. למעשה זהו חגורה דינמית סמוכה לסף קריטי.
  הפעילות הבסיסית מתרחשת ברצף ומורכבת ממשיכת סיבים והחזרתם ומהסטה עם חיבורים מחודשים. רמת המתח מתהדקת ומתרופפת לסירוגין. הפרעות חיצוניות ורעש רקע פנימי עשויים להוציא מקומית ולזמן קצר את האזור מן הקריטיות.
• מושג הנקבוביות וסיבותיהן
  נקבוביות הן חלונות מיקרוסקופיים קצרי מועד ובעלי התנגדות נמוכה בתוך הקיר, שבהם סף הקריטיות יורד לרגע וכך אנרגיה או חלקיקים עוברים.
  שלוש הסיבות העיקריות הן תנודות מתח המשנות את מהודקות החומר המקומית ולזמן קצר מעלות את תקרת החדירות או מורידות את דרישת הסף; חיבורים מחודשים בממדים זעירים המשחררים מתחים לחבילות גלים ומייצרים הרפיה רגעית מקומית; ומכות של הפרעות המגיעות מבחוץ או חלקיקים עתירי אנרגיה שגורמים לעודף תגובה או לדילול, ולפני החזרה למצב מקורי נותר חריץ מעבר. מקורות שכיחים הם חלקיקים לא יציבים כלליים בשלב ההתפרקות ורעש רקע של מתח הנלווה לכך.
• כיצד נקבוביות נפתחות ונסגרות
  מבחינת קנה מידה וחיים הן קטנות, רבות, קצרות ומהירות, מנקבים זעירים כדקירת מחט ועד פסי מעבר צרים לאורך כיוון ההסטה. חלק קטן מהן בלבד, כאשר הגאומטריה והלחץ החיצוני תומכים לאורך זמן, מתפתח לתעלות מעבר יציבות יחסית. התנהגות המכלול מוגבלת בידי מאזן האנרגיה ותקציב המתח ולכן אינה חורגת ממגבלות התפשטות מקומיות ואינה גורמת לדליפה חסרת מקור.
• מדוע יש לראות את הקיר כגבול מחוספס
  תפיסה זו מסבירה חדירה מועטה אך מתמשכת, שכן גבול חלק לחלוטין מתקשה להסביר זרימות קטנות וארוכות טווח במציאות. היא גם מחברת בין בידוד חזק לבין מעבר מיקרוסקופי, שכן כאשר הקיר נתפס כחגורה נושמת סמוכה לסף קריטי מופיעות הנקבוביות כמנגנון טבעי. הבידוד המאקרוסקופי נשאר איתן, ובו בזמן מעבר מזערי מותר סטטיסטית. בנוסף התיאור עקבי בין סולמות, מן המיקרו ועד המאקרו.
• שני מקרים אינטואיטיביים
  במנהור קוונטי ניתן לראות במחסום הפוטנציאל קיר מתח, ונקבוביות קצרות חיים מאפשרות מעבר בהסתברות קטנה אך שאינה אפסית. ראו סעיף 6.6.
  בקרינת חור שחור השכבה הקריטית שמחוץ לאופק מהווה אף היא קיר מתח, והפרעות פנימיות עדינות עתירות אנרגיה יחד עם חיבורים מחודשים מדליקים חליפות רבות של נקבוביות קצרות חיים. האנרגיה מחלחלת החוצה לאורך זמן רב כחבילות זעירות או כאלומות מיקרוסקופיות בעוצמה נמוכה מאוד. ראו סעיף 4.7.
• לסיכום וכיוון ההמשך
  בקיצור קיר המתח מגשים בידוד חזק כחומר גבולי בעל עובי ונשימה, והנקבוביות הן אופן פעולתו המיקרוסקופי. כאשר תעלות מעבר נסרגות לאורך כיוון מועדף ומקבלות לאורך זמן תמיכה מלחץ חיצוני ומשדות מסודרים, הן מתפתחות למוליך הגל של מסדרון המתח המשמש קולימטור לסילונים מיושרים. ראו יישומים בסעיף 3.20.

II. מוליך הגל של מסדרון המתח

1. הגדרה וקשר לקיר המתח
   מוליך הגל של מסדרון המתח הוא אזור של תעלות צרות, מסודרות ובעלות התנגדות נמוכה הנכרכות זו לזו לאורך כיוון מועדף כדי להוליך וליישר את הזרימה. חלוקת התפקידים היא שקיר המתח חוסם ומסנן ומוליך הגל של המסדרון מוליך ומיישר. כאשר תעלות המעבר שעל הקיר מוארכות, מיוצבות ומרובדות בידי הגאומטריה והלחץ החיצוני הן גדלות והופכות למוליך הגל של מסדרון המתח.
2. מנגנון ההיווצרות שמונה מניעים בלולאת סיבה ותוצאה סגורה

• מדרון ארוך מכוון את הכיוון, משום שמגוון תהליכים זעירים נערמים בזמן ויוצרים נוף מתח שבו אזורים בעלי התנגדות ממוצעת נמוכה וקישוריות גבוהה מצביעים על מסלול התעלה.
• הסטה ויישור סביב ציר הסיבוב, כאשר ציר הסיבוב של חור שחור, ציר ההסטה המרכזי בזרם אקרציה והנורמל למסלול היתוך משמשים כמדדים טבעיים, והפרשי מהירות מיישרים אי סדר ומסדרים מבנים.
• הצטברות הזרימה בונה שלד, שכן האקרציה מושכת את הזרימה אל האזור המרכזי ומצמצמת חופש רוחבי כך שאנרגיה ופלזמה נשמרות בחתך צר.
• התחזקות עצמית בתנגדות נמוכה פועלת כמנגנון משוב חיובי שבו יתרון קטן גדל ליתרון ברור, והנתיב המנצח הופך לנבט התעלה.
• יישור בדרך של שכבות דקות באמצעות הסטה וחיבור מחודש מדויק, כאשר כל פולס פועל כעיבוד משטח שמסיר קשרים ומכוון אנרגיה אל הציר האמצעי.
• לחץ צד ודפנות כקוקון מגנים מפני התפשטות ויוצרים באזורים בלתי אחידים קשרי קולימציה מחודשים, מעין מותן, המאריכים ומייצבים את התעלה.
• ניהול מטען כדי שלא להשמין את התעלה, שכן עומס חומר גדול מדי מעבה ומאט. המערכת מעדיפה מסלולים קלי עומס ומהירי תגובה, הכבדים מואטים והאיטיים נגרעים.
• מיון לפי רעש ותמיכה במצבים מעבריים, כי שלב היווצרות של חלקיקים לא יציבים כלליים מחזק סדר, ושלב ההתפרקות מחזיר אנרגיה כרעש רקע של מתח. הרעש חוצב נקבוביות בקיר למעבר איטי ובדומה לנייר ליטוש מסיר מיקרו־תעלות בלתי יציבות כך שהזרימה נאספת למסדרון הראשי היציב ביותר.
• לסיכום הלולאה מדרון ארוך בוחר כיוון, הצירים מתיישרים, שלד נבנה, התחזקות עצמית מגדילה יתרון, פולסי שכבה דקה מישרים את הדרך, דפנות הקוקון לוחצות ומגינות, מתבצע מיון לפי עומס ולפי רעש. כל עוד ההזנה נמשכת והלחץ החיצוני מתון הלולאה מטפחת ומתחזקת את מוליך הגל של מסדרון המתח.

3. שלבי צמיחה מן הנבט אל התעלה הראשית

• זריעה ובחירת כיוון, כאשר כמה עורקים מיטיבים מופיעים בו זמנית והעוקבים טוב יותר אחר ציר הסיבוב או ההסטה וקו האורך של הסיב המארח לוכדים ראשונים את הזרימה.
• השחלה וחיבור למסדרון כאשר עורקים סמוכים נקשרים לרצועות ובתצפית עולה דרגת הקיטוב והכיווניות נעשית אחידה בפתאומיות.
• נעילה וחלוקת תפקידים בין עמוד שדרה למעטפת, עמוד השדרה במרכז ישר ומהיר יותר, המעטפת בשוליים מגינה ומייצבת. תחזוקה ארוכת טווח מתבצעת באמצעות חיבורים מחודשים מתקנים וקשרי קולימציה מחודשים.
• החלפת הילוך באמצעות הסטה גאומטרית או מסירת שרביט כאשר יחסי ההזנה, שדה הלחץ החיצוני או העומס משתנים בפתאומיות. אז הפתח מכוון בעדינות, הכיוון נטה מעט או המקטע הדומיננטי נע החוצה להמשך. בתצפיות הדבר תואם קפיצות מדורגות בזווית הקיטוב ושברים גאומטריים מרובי מדרגות באור המאוחר.

4. אי יציבות ואבחון שלוש דרכים שבהן המסדרון מאבד רצף
   פיתול או קריעה מופרזים ממוטטים סדר, דרגת הקיטוב צונחת בחדות, הכיווניות קופצת באקראיות והסילון מיטשטש. קריסת עומס מעבה את התעלה, מקטינה מהירות ושקיפות וההתפרצויות נעשות חדות פחות וחלקות יותר. שינוי פתאומי בהזנה או בלחץ חיצוני מקצר תעלה, מסיט מסלול או קוטע זרימה. סמן מעשי הוא היעדר קפיצות מדורגות בזווית הקיטוב, היעדר מדרגות במדד הסיבוב או היעדר היצמדות של יחסי זמנים של שברים גאומטריים במדידות זמן ותדירות ממושכות. במקרה כזה יש לצמצם את תחום היישום של השערת התעלה.

III. תזכורת מהירה והכוונה בין פרקים
התזכורת היא שקיר המתח חוסם ומסנן ומסדרון המתח מוליך ומיישר. נקבוביות הקיר מסבירות מעבר זעיר ואילו ריבוד המסדרון מסביר זרימה ישרה, צרה ומהירה.
להמשך מוליך הגל של מסדרון המתח מסביר מדוע נוצרים סילונים מכוונים וכיצד לזהות את טביעות האצבע התצפיתיות שלהם. ראו סעיף 3.20. השרשרת המלאה של האצה, יציאה והפצה מצויה בסעיף 3.10. דוגמאות הקשורות בקיר בצד הקוונטי ובצד הגרביטציוני נמצאות בסעיפים 6.6 ו־4.7.