الموصل الفائق هو مادة تحقق الموصلية الفائقة ، وهي أ حالة المادة لا يحتوي على مقاومة كهربائية ولا يسمح باختراق المجالات المغناطيسية. ان التيار الكهربائي في الموصل الفائق يمكن أن يستمر إلى أجل غير مسمى.
لا يمكن تحقيق الموصلية الفائقة إلا في درجات حرارة شديدة البرودة. تحتوي الموصلات الفائقة على مجموعة متنوعة من التطبيقات اليومية ، من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي إلى القطارات المغناطيسية فائقة السرعة التي تستخدم المغناطيس لرفع القطارات عن المسار لتقليل الاحتكاك. يحاول الباحثون الآن إيجاد وتطوير موصلات فائقة تعمل في درجات حرارة أعلى ، مما سيحدث ثورة في نقل الطاقة وتخزينها.
من اكتشف الموصلية الفائقة؟
يعود الفضل في اكتشاف الموصلية الفائقة إلى عالم الفيزياء الهولندي هايك كامرلينج أونز. في عام 1911 ، كان Onnes يدرس الخصائص الكهربائية لـ الزئبق في مختبره بجامعة لايدن في هولندا عندما وجد أن المقاومة الكهربائية في الزئبق اختفت تمامًا عندما أسقط درجة الحرارة إلى أقل من 4.2 كلفن – أي 4.2 درجة مئوية فقط (7.56 درجة فهرنهايت) فوق الصفر المطلق.
لتأكيد هذه النتيجة ، طبق أونز تيارًا كهربائيًا على عينة من الزئبق فائق التبريد ، ثم فصل البطارية. ووجد أن التيار الكهربائي استمر في الزئبق دون أن يتناقص ، مما يؤكد عدم وجود مقاومة كهربائية ويفتح الباب أمام التطبيقات المستقبلية للموصلية الفائقة.
تاريخ الموصلية الفائقة
قضى الفيزيائيون عقودًا في محاولة فهم طبيعة الموصلية الفائقة وما سببها. ووجدوا أن العديد من العناصر والمواد ، ولكن ليس كلها ، تصبح فائقة التوصيل عند تبريدها تحت درجة حرارة حرجة معينة.
في عام 1933 ، اكتشف الفيزيائيان والثر ميسنر وروبرت أوشنفيلد أن الموصلات الفائقة “تطرد” أي حقول مغناطيسية قريبة ، مما يعني أن الحقول المغناطيسية الضعيفة لا يمكنها اختراق بعيد داخل الموصل الفائق ، وفقًا لـ الفيزياء الفائقة، موقع تعليمي من قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة ولاية جورجيا. تسمى هذه الظاهرة بتأثير مايسنر.
لم يكن حتى عام 1950 نشر الفيزيائيين النظريين ليف لانداو وفيتالي جينزبورغ نظرية حول كيفية عمل الموصلات الفائقة ، وفقًا لسيرة جينزبورغ في موقع جائزة نوبل. على الرغم من نجاحهم في التنبؤ بخصائص الموصلات الفائقة ، إلا أن نظريتهم كانت “عيانية” ، بمعنى أنها ركزت على السلوكيات واسعة النطاق للموصلات الفائقة بينما ظلوا يجهلون ما كان يحدث على المستوى المجهري.
أخيرًا ، في عام 1957 ، طور الفيزيائيون جون باردين وليون إن كوبر وروبرت شريففر نظرية كاملة مجهرية للموصلية الفائقة. لإنشاء مقاومة كهربائية ، فإن الإلكترونات في المعدن يجب أن يكون حراً في القفز. ولكن عندما تصبح الإلكترونات الموجودة داخل المعدن باردة بشكل لا يصدق ، يمكن أن تتزاوج ، مما يمنعها من الارتداد. أزواج الإلكترونات هذه ، التي تسمى أزواج كوبر ، مستقرة جدًا في درجات الحرارة المنخفضة ، ومع عدم وجود إلكترونات “حرة” للارتداد ، تختفي المقاومة الكهربائية. قام باردين وكوبر وشريفير بتجميع هذه القطع معًا لتشكيل نظريتهم ، المعروفة باسم نظرية BCS ، والتي نشروها في المجلة رسائل المراجعة البدنية.
كيف تعمل الموصلات الفائقة؟
عندما ينخفض المعدن إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة ، تشكل الإلكترونات الموجودة في المعدن روابط تسمى أزواج كوبر. عند إغلاقها بهذه الطريقة ، لا تستطيع الإلكترونات توفير أي مقاومة كهربائية ، ويمكن للكهرباء أن تتدفق عبر المعدن تمامًا ، وفقًا لـ جامعة كامبريدج.
ومع ذلك ، فإن هذا يعمل فقط في درجات حرارة منخفضة. عندما يصبح المعدن دافئًا جدًا ، تمتلك الإلكترونات طاقة كافية لكسر روابط أزواج كوبر والعودة إلى تقديم المقاومة. لهذا السبب وجد أونز ، في تجاربه الأصلية ، أن الزئبق تصرف كموصل فائق عند 4.19 كلفن ، لكن ليس 4.2 كلفن.
ما هي الموصلات الفائقة المستخدمة؟
من المحتمل جدًا أنك واجهت موصلًا فائقًا دون أن تدرك ذلك. من أجل توليد المجالات المغناطيسية القوية المستخدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير بالرنين المغناطيسي النووي (NMRI) ، تستخدم الآلات مغناطيسات كهربائية قوية ، كما هو موضح في مايو كلينك. هذه المغناطيسات الكهربائية القوية ستذيب المعادن العادية بسبب حرارة حتى القليل من المقاومة. ومع ذلك ، نظرًا لعدم وجود مقاومة كهربائية للموصلات الفائقة ، لا يتم توليد حرارة ، ويمكن للمغناطيسات الكهربائية أن تولد المجالات المغناطيسية اللازمة.
كما تُستخدم مغناطيسات كهربائية فائقة التوصيل مماثلة في القطارات المغناطيسية المغناطيسية ، ومفاعلات الاندماج النووي التجريبية ، ومختبرات مسرعات الجسيمات عالية الطاقة ، كما تُستخدم الموصلات الفائقة لتشغيل المدافع الكهرومغناطيسية والبنادق ، ومحطات قواعد الهواتف المحمولة ، والدوائر الرقمية السريعة ، وأجهزة الكشف عن الجسيمات.
بشكل أساسي ، في أي وقت تحتاج فيه إلى مجال مغناطيسي قوي حقًا أو تيار كهربائي ولا تريد أن تذوب أجهزتك لحظة تشغيلها ، فأنت بحاجة إلى موصل فائق.
قال أليكسي بيزرادين ، عالم فيزياء المادة المكثفة بجامعة إلينوي في أوربانا شامبين: “أحد أكثر تطبيقات الموصلات الفائقة إثارة للاهتمام هو لأجهزة الكمبيوتر الكمومية”. بسبب الخصائص الفريدة للتيارات الكهربائية في الموصلات الفائقة ، يمكن استخدامها لبناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
“تتكون هذه الحواسيب من بتات كمومية أو كيوبتات. يمكن أن توجد الكيوبتات ، على عكس وحدات المعلومات التقليدية ، في حالات تراكب كمي من كونها ‘0’ و ‘1’ في نفس الوقت. يمكن للأجهزة فائقة التوصيل أن تحاكي هذا ، كما قال بيزرادين لـ Live Science . “على سبيل المثال ، يمكن للتيار في حلقة فائقة التوصيل أن يتدفق في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في نفس الوقت. مثل هذه الحالة تشكل مثالًا للكيوبت فائقة التوصيل.”
ما هو أحدث بحث في الموصلات الفائقة؟
قال محمد دوجان ، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، إن التحدي الأول للباحثين اليوم هو “تطوير مواد ذات موصلات فائقة في الظروف المحيطة ، لأن الموصلية الفائقة لا توجد حاليًا إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا أو في ضغوط عالية جدًا”. التحدي التالي هو تطوير نظرية تشرح كيفية عمل الموصلات الفائقة الجديدة وتتنبأ بخصائص تلك المواد ، كما أخبر دوجان Live Science في رسالة بريد إلكتروني.
تنقسم الموصلات الفائقة إلى فئتين رئيسيتين: الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة (LTS) ، والمعروفة أيضًا باسم الموصلات الفائقة التقليدية ، والموصلات الفائقة عالية الحرارة (HTS) ، أو الموصلات الفائقة غير التقليدية. يمكن وصف LTS بواسطة نظرية BCS لشرح كيفية تكوين الإلكترونات لأزواج Cooper ، بينما تستخدم HTS طرقًا مجهرية أخرى لتحقيق مقاومة صفرية. تعد أصول HTS واحدة من المشكلات الرئيسية التي لم يتم حلها في الفيزياء الحديثة.
كانت معظم الأبحاث التاريخية حول الموصلية الفائقة في اتجاه LTS ، لأن اكتشاف ودراسة تلك الموصلات الفائقة أسهل بكثير ، وجميع تطبيقات الموصلية الفائقة تقريبًا تتضمن LTS.
على النقيض من ذلك ، تعد HTS مجالًا نشطًا ومثيرًا للبحث في العصر الحديث. أي شيء يعمل كموصل فائق أعلى من 70 كلفن يعتبر بشكل عام HTS. على الرغم من أن هذا لا يزال باردًا جدًا ، إلا أن درجة الحرارة هذه مرغوبة لأنه يمكن الوصول إليها عن طريق التبريد بالنيتروجين السائل ، وهو أكثر شيوعًا ومتوفرًا بسهولة من الهيليوم السائل اللازم للتبريد إلى درجات الحرارة المنخفضة المطلوبة لـ LTS.
مستقبل الموصلات الفائقة
إن “الكأس المقدسة” لأبحاث الموصلات الفائقة هو العثور على مادة يمكن أن تعمل كموصل فائق في درجات حرارة الغرفة. حتى الآن ، فإن أعلى درجة حرارة فائقة التوصيل تم الوصول إلى هيدريد الكبريت الكربوني المضغوط للغاية ، والذي وصل إلى الموصلية الفائقة عند 59 فهرنهايت (15 درجة مئوية ، أو حوالي 288 كلفن) ، لكنه تطلب 267 جيجا باسكال من الضغط للقيام بذلك. هذا الضغط يعادل الضغط الداخلي للكواكب العملاقة مثل كوكب المشتري ، مما يجعله غير عملي للتطبيقات اليومية.
تسمح الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة بالنقل الكهربائي للطاقة بدون خسائر أو إهدار ، وقطارات مغناطيسية أكثر كفاءة ، واستخدام أرخص وأكثر انتشارًا لتقنية التصوير بالرنين المغناطيسي. التطبيقات العملية للموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة لا حدود لها – يحتاج الفيزيائيون فقط إلى معرفة كيفية عمل الموصلات الفائقة في درجات حرارة الغرفة وما هي مادة “Goldilocks” التي تسمح بالموصلية الفائقة.
مصادر إضافية
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
