في الثامن من إبريل عام 1911، كتبت عالمة الفيزياء الهولندية هيكي كامرلينج أونيس بقلم رصاص ملاحظة غير مفهومة تقريباً على دفتر ملاحظات المطبخ: “تقترب من الصفر بما فيه الكفاية”.
أشارت المذكرة إلى المقاومة الكهربائية التي قام بقياسها خلال تجربة تاريخية ستُنسب لاحقًا إلى اكتشاف الموصلية الفائقة. لكن أولاً، سيحتاج هو وفريقه إلى المزيد من التجارب لتأكيد القياس.
لقد فتح اكتشافهم عالما من التطبيقات العلمية المحتملة. لقد شهد القرن منذ ذلك الحين العديد من التطورات، ولكن يمكن للباحثين في مجال الموصلية الفائقة اليوم أن يتعلموا الدروس من عمل أونز الأصلي الحائز على جائزة نوبل.
لقد كنت دائمًا مهتمًا بقصص الأصل. باعتباري أستاذًا للفيزياء ومؤلفًا لكتب عن تاريخ الفيزياء، فإنني أبحث عن الخلفية الدرامية المثيرة للاهتمام – التقلبات والمنعطفات والصدف التي تكمن وراء الاكتشافات العظيمة.
إن القصص الحقيقية وراء هذه الاكتشافات عادة ما تكون أكثر فوضوية من الروايات التي تم التدرب عليها والتي تمت صياغتها بعد وقوعها، ولا تزال بعض الدروس المستفادة من تجارب أونز ذات صلة اليوم حيث يبحث الباحثون عن موصلات فائقة جديدة قد تعمل ذات يوم بالقرب من درجة حرارة الغرفة.
الموصلية الفائقة
وهو تأثير كمي نادر يسمح للتيارات الكهربائية بالتدفق دون مقاومة في الأسلاك فائقة التوصيل، وتسمح الموصلية الفائقة بعدد لا يحصى من التطبيقات العلمية. وتشمل هذه أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات القوية.
تخيل أنك تعطي دفعة واحدة لصف من الخرز الزجاجي المعلق على سلك عديم الاحتكاك. بمجرد أن تبدأ الخرزات في التحرك عبر السلك، فإنها لا تتوقف أبدًا، مثل آلة الحركة الدائمة. هذه هي الفكرة وراء الموصلية الفائقة – الجسيمات تتدفق دون مقاومة.
لكي تعمل الموصلات الفائقة، يجب تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية أكثر برودة من أي انفجار في القطب الشمالي. هذه هي الطريقة التي مهد بها عمل أونز الأصلي في تبريد الهيليوم إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق الطريق لاكتشافه غير المتوقع للموصلية الفائقة.
الاكتشاف
قام أونز، أستاذ الفيزياء بجامعة لايدن بهولندا، ببناء مختبر فيزياء درجات الحرارة المنخفضة الرائد في العالم في العقد الأول من القرن العشرين.
وكان مختبره أول من قام بتحويل الهيليوم من غاز إلى سائل عن طريق جعل الغاز يتمدد ويبرد. تمكن مختبره من تبريد الهيليوم بهذه الطريقة إلى درجة حرارة -452 درجة فهرنهايت (-269 درجة مئوية).
ثم بدأ أونز بدراسة التوصيل الكهربائي للمعادن في درجات الحرارة الباردة هذه. بدأ بالزئبق لأن الزئبق في شكله السائل يمكنه توصيل الكهرباء، مما يجعل من السهل ملؤه في الأنابيب الزجاجية. عند درجات الحرارة المنخفضة، يتجمد الزئبق بشكل صلب، مما يؤدي إلى تكوين أسلاك معدنية يمكن أن يستخدمها أونز في تجارب التوصيل.
في 8 أبريل 1911، قام فنيو مختبره بنقل الهيليوم السائل إلى ناظم البرد للقياس، وهو وعاء زجاجي مزود بغطاء مفرغ لعزله عن حرارة الغرفة. قاموا بتبريد الهيليوم إلى -454 فهرنهايت (-270 درجة مئوية) ثم قاموا بقياس المقاومة الكهربائية لسلك الزئبق عن طريق إرسال تيار صغير من خلاله وقياس الجهد.
في ذلك الوقت، كتب أونز القياس المبهم “قريبة من الصفر” في دفتر مطبخه، مما يعني أن السلك كان يوصل الكهرباء دون أي مقاومة قابلة للقياس.
غالباً ما يُستشهد بتاريخ الثامن من إبريل باعتباره اكتشاف الموصلية الفائقة، لكن القصة الكاملة ليست بهذه البساطة، لأن العلماء لا يستطيعون قبول عبارة “شبه خالية بما فيه الكفاية” المكتوبة كدليل كافٍ على اكتشاف جديد.
سعياً للإثبات
أجرى فريق أونز تجربته التالية بعد أكثر من ستة أسابيع، في 23 مايو. في هذا اليوم، قاموا بتبريد ناظم البرد مرة أخرى إلى -454 فهرنهايت (-270 درجة مئوية) ثم تركوا درجة الحرارة ترتفع ببطء.
في البداية، بالكاد قاموا بقياس أي مقاومة كهربائية، مما يشير إلى الموصلية الفائقة. ظلت المقاومة صغيرة حتى -452 فهرنهايت، عندما ارتفعت فجأة بأكثر من 400 عامل مع ارتفاع درجة الحرارة بمقدار جزء من الدرجة فقط.
كان الارتفاع سريعًا جدًا وغير متوقع لدرجة أنهم بدأوا في البحث عن شكل من أشكال العطل الكهربائي أو الدائرة المفتوحة التي قد تكون ناجمة عن التغيرات في درجات الحرارة. لكنهم لم يتمكنوا من العثور على أي شيء خاطئ. لقد أمضوا خمسة أشهر أخرى في تحسين نظامهم قبل المحاولة مرة أخرى. وفي 26 تشرين الأول (أكتوبر)، كرروا التجربة، ملتقطين الارتفاع المفاجئ السابق في المقاومة.
وبعد أسبوع واحد، قدم أونز هذه النتائج إلى مؤتمر سولفاي الأول، وبعد عامين حصل على جائزة نوبل في الفيزياء، تقديرًا لعمله في درجات الحرارة المنخفضة بشكل عام ولكن ليس في مجال الموصلية الفائقة على وجه التحديد.
استغرق الأمر ثلاث سنوات أخرى من العمل الدؤوب قبل أن يحصل أونز على أدلته الدامغة: فقد قام بقياس التيارات المستمرة التي لا تتحلل، وأظهر مقاومة صفرية حقيقية وموصلية فائقة في 24 أبريل 1914.
حدود جديدة لدرجات الحرارة الحرجة
في العقود التي تلت اكتشاف أونز، اكتشف العديد من الباحثين كيفية عمل المعادن عند درجات حرارة فائقة البرودة، وتعلموا المزيد عن الموصلية الفائقة.
ولكن إذا تمكن الباحثون من ملاحظة الموصلية الفائقة فقط عند درجات حرارة منخفضة للغاية، فمن الصعب صنع أي شيء مفيد. يعد تشغيل الآلة عمليًا مكلفًا للغاية إذا كانت تعمل فقط عند درجة حرارة -400 فهرنهايت (-240 درجة مئوية).
لذلك، بدأ العلماء في البحث عن الموصلات الفائقة التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة عملية. على سبيل المثال، توصل كل من K. Alex Müller وJ. Georg Bednorz من مختبر أبحاث IBM في سويسرا إلى أن أكاسيد المعادن مثل أكسيد اللانثانم والباريوم والنحاس، المعروفة باسم LBCO، يمكن أن تكون مرشحة جيدة.
استغرق الأمر من فريق IBM حوالي ثلاث سنوات للعثور على الموصلية الفائقة في LBCO. ولكن عندما فعلوا ذلك، سجل عملهم رقمًا قياسيًا جديدًا، حيث لوحظت الموصلية الفائقة عند -397 فهرنهايت (-238 درجة مئوية) في عام 1986.
وبعد مرور عام، في عام 1987، قام مختبر في هيوستن باستبدال اللانثانوم في LBCO بعنصر الإيتريوم لتكوين YBCO. لقد أظهروا الموصلية الفائقة عند -292 فهرنهايت. هذا الاكتشاف جعل YBCO أول موصل فائق عملي، لأنه يمكن أن يعمل أثناء غمره في النيتروجين السائل غير المكلف.
ومنذ ذلك الحين، لاحظ الباحثون الموصلية الفائقة عند درجات حرارة تصل إلى -164 فهرنهايت (-109 درجة مئوية)، ولكن التوصل إلى موصل فائق في درجة حرارة الغرفة ظل بعيد المنال.
في عام 2023، ادعت مجموعتان أن لديهما أدلة على الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة، على الرغم من أن كلا التقريرين قوبلا بتشكك حاد، وكلاهما الآن في طي النسيان بعد مزيد من التدقيق.
لقد كان إثبات الموصلية الفائقة دائمًا أمرًا صعبًا، لأن بعض المعادن يمكن أن تتنكر كموصلات فائقة. إن الدروس التي تعلمها أونز قبل قرن من الزمان ــ أن هذه الاكتشافات تتطلب الوقت والصبر، والأهم من ذلك، إثبات التيارات التي لا تتوقف أبدا ــ لا تزال صالحة حتى يومنا هذا.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. تحتوي المحادثة على مجموعة متنوعة من النشرات الإخبارية المجانية الرائعة.
كتب بواسطة: ديفيد د. نولتي، جامعة بوردو.
اقرأ أكثر:
يتلقى ديفيد د. نولتي التمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم.