إذا لم تكن قد سمعت عن الموصلات الفائقة قبل عام 2023، فمن المرجح أنك تعرف ما هي عليه الآن. أثار الباحثون الدهشة في وقت مبكر من العام بادعاءات بوجود موصلات فائقة التشغيل في درجة حرارة الغرفة، على الرغم من أنه لم يتم إثبات أي منها، وسحبت مجلة نيتشر بحثًا من الباحثين في جامعة روتشستر بناءً على طلب المؤلفين في نوفمبر.
لكن البحث عن موصل فائق – مادة يمكنها توصيل الكهرباء دون مقاومة – ويمكن أن تعمل في درجة حرارة الغرفة ليس بالأمر الجديد.
في الوقت الحالي، يمكن للموصلات الفائقة أن تعمل فقط في درجات حرارة شديدة البرودة. لذا، فإن العثور على جهاز يمكنه العمل في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى الاحتفاظ به في غرفة باردة يمكن أن يحدث ثورة في كل شيء بدءًا من شبكات الطاقة والمعدات الطبية وحتى الحوسبة الكمومية. لكن يتعين على الفيزيائيين أولًا أن يعرفوا كيفية جعلها تعمل.
اكتشف عالم فيزياء هولندي ظاهرة الموصلية الفائقة في أوائل القرن العشرين، ومنذ ذلك الحين، قامت المختبرات في جميع أنحاء العالم باختبار المواد التي يمكن أن تصل إلى حالة الموصلية الفائقة في درجات حرارة أكثر دفئا وأكثر دفئا.
إذًا، كيف تتمكن هذه المواد من توصيل الكهرباء دون مقاومة، وما هي أنواع الإمكانيات التكنولوجية التي تلوح في الأفق، مع تحسن أبحاث الموصلات الفائقة كل عام؟ فيما يلي ثلاث قصص من أرشيف المحادثة التي تستكشف تاريخ هذه الظاهرة الفيزيائية المذهلة وعلومها ومستقبلها.
1. الفيزياء وراء هذه الظاهرة
كيف يمكن حتى توليد تيار بمقاومة كهربائية صفر، وهو أساس الموصلية الفائقة؟ وللقيام بذلك، يجب عليك إبقاء المعدن الموصل باردًا. حقا بارد. مثل مئات الدرجات تحت الصفر.
“في درجات الحرارة العادية، تتحرك الإلكترونات في مسارات غير منتظمة إلى حد ما. كتب مشكات بهاتاشاريا، عالم الفيزياء في معهد روتشستر للتكنولوجيا، يقول: “يمكنها عمومًا أن تنجح في التحرك عبر السلك بحرية، ولكنها تصطدم بين الحين والآخر بنواة المادة”. “هذه الاصطدامات هي التي تعيق تدفق الإلكترونات، وتسبب المقاومة وتسخن المادة.”
في العادة، تهتز نوى جميع الذرات باستمرار، ويمكن أن تصطدم ببعضها البعض. في المواد فائقة التوصيل، تمر الإلكترونات الموجودة في التيار من ذرة إلى ذرة بينما تهتز بنفس تردد نوى الذرات في المعدن فائق التوصيل. وهذا يعني أنه بدلاً من الاصطدام وتوليد الحرارة، فإنهما يتحركان بطريقة سلسة ومنسقة. ودرجات الحرارة الباردة هي التي تسمح بهذه الحركة المنسقة.
اقرأ المزيد: كيف تعمل الموصلات الفائقة؟ يشرح عالم فيزياء معنى الحصول على كهرباء خالية من المقاومة
2. قرن من الموصلية الفائقة
كان الزئبق أول مادة تم اكتشافها كموصل فائق، بواسطة هيكي كامرلينج أونيس في عام 1911. وكان على فريقه تبريد الهيليوم السائل إلى -454 درجة فهرنهايت (-270 درجة مئوية) لمراقبة التأثير. استخدموا أسلاكًا مصنوعة من الزئبق لإرسال تيار عبر المادة، ثم قاسوا تأثير المقاومة الكهربائية على أنه “قريب بما فيه الكفاية من الصفر”.
كرر أونز وفريقه التجربة عدة مرات للتأكد من أن التأثير الذي لاحظوه هو في الواقع الموصلية الفائقة، وقاموا أيضًا بحل جميع التفسيرات المحتملة الأخرى للتأثير – الأعطال الكهربائية والتيارات المفتوحة وما إلى ذلك. لكنهم استمروا في التوصل إلى نفس النتيجة، وبعد ثلاث سنوات من الاختبار، تمكن أونز من إثبات وجود تيارات ذات مقاومة صفرية حقًا.
كتب ديفيد د. نولتي، مؤلف كتب تاريخ العلوم وعالم الفيزياء في جامعة بوردو: «لطالما كان إثبات الموصلية الفائقة أمرًا صعبًا، لأن بعض المعادن يمكن أن تتنكر في صورة موصلات فائقة». “إن الدروس التي تعلمها أونز قبل قرن من الزمان – وهي أن هذه الاكتشافات تتطلب الوقت والصبر، والأهم من ذلك، إثبات التيارات التي لا تتوقف أبدًا – لا تزال ذات صلة حتى يومنا هذا.”
اقرأ المزيد: لا تزال الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة بعيدة المنال بعد مرور قرن من الزمن على حصول العالم على جائزة نوبل الذي أثبتها عند درجة حرارة أقل من -450 درجة فهرنهايت
3. مستقبل فائق التوصيل
أحد أهم التطبيقات للموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة في المستقبل هو تقليل الحرارة المهدرة من الإلكترونيات. لا يمكن للإلكترونيات مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر أن تعمل بسرعة وكفاءة أكبر فحسب، بل يمكن للشبكات الكهربائية وخطوط الكهرباء ومراكز البيانات على نطاق أوسع أن تقلل من حرارتها المهدرة. قد يكون هذا فوزًا كبيرًا للبيئة.
كتب بيجور آيناجيان، عالم الفيزياء في جامعة بينجهامتون، جامعة ولاية نيو ساوث ويلز: “إذا نجحنا في صنع موصل فائق في درجة حرارة الغرفة، فيمكننا معالجة مليارات الدولارات التي تكلفها الحرارة المهدرة لنقل الطاقة من محطات الطاقة إلى المدن”. يورك. “يمكن تخزين الطاقة الشمسية التي يتم حصادها في الصحاري الفارغة الشاسعة حول العالم ونقلها دون أي خسارة في الطاقة، مما يمكن أن يزود المدن بالطاقة ويقلل بشكل كبير من انبعاثات الغازات الدفيئة.”
قد يكون هناك نوع من الموصلات الفائقة مصنوع من مادة تشبه السيراميك اكتشفها علماء في شركة IBM في سويسرا، وهو أحد الطرق للوصول إلى موصل فائق في درجة حرارة الغرفة. وقد ثبت بالفعل أن هذه الفئة من المواد تعمل في درجات حرارة أعلى – رغم أنها لا تزال شديدة البرودة – أقرب إلى -300 فهرنهايت (-184 درجة مئوية) من الموصلات الفائقة التقليدية مثل أسلاك الزئبق الأصلية التي ابتكرها أونز.
ولكن في حين أن الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة يمكن أن يحدث ثورة في مجال الإلكترونيات ونقل الطاقة، إلا أن المادة المناسبة لا تزال بعيدة المنال. وكما يقول آيناجيان، فإن الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة هو بكل معنى الكلمة “سؤال المليون دولار التالي”.
اقرأ المزيد: يبحث الفيزيائيون عن الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة والتي يمكن أن تحدث ثورة في نظام الطاقة في العالم
هذه القصة عبارة عن ملخص لمقالات من أرشيفات المحادثة.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: ماري ماجنوسون، المحادثة.
اقرأ أكثر: