لأكثر من قرن من الزمان، تصارعت فيزياء المادة المكثفة مع أحد أكبر التحديات التي لم يتم حلها: كيفية بناء موصلات فائقة تعمل في درجة حرارة الغرفة وتنقل الكهرباء دون خسارة.
الآن، في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature، أعلن فريق من علماء الفيزياء بجامعة هارفارد عن رؤى جديدة حول السبب وراء وصول أحد الموصلات الفائقة الواعدة إلى نتائج متفاوتة بشكل غامض.
استخدم الباحثون طريقة جديدة لدراسة المواد تحت الضغط العالي عن طريق إضافة أجهزة استشعار كمومية إلى جهاز بسيط ابتكره فيزيائي جامعة هارفارد الحائز على جائزة نوبل في القرن الماضي، وهي أداة من المرجح أن تكون مفيدة لتعزيز العمل المستقبلي.
قال نورمان ياو ’09، دكتوراه: “يمكننا أن نطرح أسئلة عند الضغط العالي لم يكن من الممكن أن نطرحها من قبل”. ’14، أستاذ الفيزياء وكبير مؤلفي الدراسة الجديدة. “والسؤال الذي تلقيناه كثيرًا من زملائنا هو: هل يمكنك قياس صخرتنا أيضًا؟”
لا تستطيع معظم الموصلات الحالية نقل الكهرباء دون بعض المقاومة، وبالتالي تفقد الطاقة (في الولايات المتحدة، يتم فقدان حوالي 5 بالمائة من الكهرباء أثناء النقل، ولكن في بعض البلدان تصل الخسائر إلى نصف إنتاج الطاقة). تتمتع الموصلات الفائقة بمقاومة معدومة – وبالتالي لا يوجد فقدان للطاقة – مما يجعلها ابتكارًا ثوريًا محتملاً.
ومن الناحية النظرية، فإن تحسين الموصلات الفائقة يمكن أن يجعل الأمر مجديا اقتصاديا، على سبيل المثال، بالنسبة لمزارع الرياح في سيبيريا لتزويد شرق آسيا بالطاقة، أو الألواح الشمسية في الصحراء الكبرى لتزويد أوروبا بالطاقة.
كما أنها تمتلك إمكانات كبيرة في تطبيقات أخرى مثل تقنيات المغناطيس، والمحركات، وقطارات ماجليف، ومسرعات الجسيمات عالية الطاقة، وأنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). حاليًا، تستخدم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الهيليوم السائل لخفض درجة حرارة الملفات فائقة التوصيل إلى 452 درجة فهرنهايت تحت الصفر.
تم اكتشاف الموصلات الفائقة لأول مرة في عام 1911، لكن التطبيقات العملية ظلت بعيدة المنال لفترة طويلة لأن المواد تتطلب درجات حرارة شديدة البرودة.
وجاء أحد الإنجازات في عام 1986، عندما اكتشف ج. جورج بيدنورز وك. أليكس مولر أكاسيد النحاس فائقة التوصيل، أو الكوبات، التي تعمل في درجات حرارة أعلى بكثير من المواد المعروفة سابقًا (فاز الزوجان بجائزة نوبل بعد 19 شهرًا فقط).
أثار هذا الكشف مؤتمرًا تاريخيًا يُعرف باسم “The Woodstock of Physics” والبحث عن موصلات فائقة أخرى “ذات درجة حرارة عالية” (والتي تعني هنا ليست شديدة البرودة). من بين أقدم المواد المقترحة كانت النيكلات، وهي عبارة عن طبقات من أكاسيد النيكل التي كانت بمثابة “أبناء عمومة” كيميائيين للكبريتات.
وفي عام 2023، تم اكتشاف أول موصل فائق للنيكلات. ولَّد هذا الاكتشاف الإثارة، لأن درجة حرارة المادة كانت أعلى من نقطة غليان النيتروجين السائل (ناقص 320 درجة فهرنهايت، والتي، على الرغم من برودتها القاتلة وفقاً للمعايير البشرية، إلا أنها دافئة نسبياً بالنسبة للموصل الفائق)، ولكن أيضاً الحذر، لأن الموصلية الفائقة ظهرت فقط تحت ضغوط عالية للغاية.
وقد ثبت أن أداء هذه المادة غير متساوٍ بشكل محير، واقترح بعض العلماء أن نسبة صغيرة فقط من المادة قادرة حقًا على الموصلية الفائقة.
لفهم هذا اللغز بشكل أفضل، سعى فريق بقيادة ياو وكريس لومان 03، وهو أستاذ مشارك في الفيزياء بجامعة بوسطن، إلى دراسة هذه المواد على نطاق ميكرون عن طريق إضافة بعض الحيل الجديدة إلى تقنية قديمة.
في النصف الأول من القرن العشرين، أجرى عالم الفيزياء بيرسي بريدجمان من جامعة هارفارد تجارب رائدة على المواد تحت ضغط عالٍ باستخدام جهاز يشبه الرذيلة يقوم بضغط العينات بين سندانين مخروطيين الشكل من الفولاذ أو كربيد التنغستن (فاز بريدجمان بجائزة نوبل في عام 1946).
وفي وقت لاحق، قام باحثون آخرون بتحويل السندانات إلى الماس، وهو أحد أصلب المواد الطبيعية على الأرض. إلى جانب الصلابة، يوفر الماس ميزة أخرى: حيث يمكن تحويله إلى أجهزة استشعار.
ومن خلال قصف الماس بالأيونات وخبزه في درجة حرارة عالية، يقوم الباحثون بإنشاء عيوب تعرف باسم “مراكز الشغور النيتروجينية” التي يمكنها اكتشاف المجالات المغناطيسية والكهربائية. في عام 2019، أصبحت مجموعة ياو أول من أضاف مراكز النيتروجين الشاغرة إلى سندان الماس، مما سمح لهم بأخذ قياسات جديدة للمواد تحت ضغوط تزيد عن 100 جيجاباسكال، تقريبًا تلك الموجودة في النواة الخارجية للأرض على بعد حوالي 3000 كيلومتر تحت السطح.
في التجارب، يتم تثبيت خلية السندان الماسية – وهو جهاز بحجم فلين النبيذ – والعينة على قضيب ويتم إنزالهما في ناظم البرد، وهي ثلاجة يمكن أن تنخفض درجة حرارتها إلى 4 درجات كلفن، أو حوالي 452 درجة فهرنهايت تحت الصفر.
يتم توجيه شعاع من الضوء الأخضر إلى داخل الماس، وتتألق مراكز النيتروجين الشاغرة باللون الأحمر، ويرتد الضوء مرة أخرى عبر سلسلة من المرايا إلى كاشف الفوتون. تتلخص سلسلة معقدة من العمليات في ما يلي: تكشف التغيرات في التألق الأحمر عن تحولات صغيرة في المجال المغناطيسي المحلي حول عينة النيكلات، وهي ظاهرة تعرف باسم تأثير مايسنر ومؤشر رئيسي للموصلية الفائقة.
قال سرينيفاس مانديام، المؤلف الرئيسي المشارك للورقة الجديدة والحاصل على درجة الدكتوراه: “إن قياس شواغر النيتروجين قادر على رؤية الموصلية الفائقة على مقاييس أصغر بكثير وقبل وقت طويل من الطرق التقليدية التي تعتمد على المقاومة”. طالب في كلية كينيث سي جريفين للدراسات العليا للفنون والعلوم يدرس الفيزياء. “عندما تحاول اكتشاف مركبات جديدة، فقد تكتشفها في وقت أبكر بكثير من الطريقة المعتادة.”
باستخدام هذه التقنية، يمكن للباحثين رسم خريطة للعينات عند جزء من المليون من المتر وربط سلوك التوصيل الفائق المحلي مع درجة الحرارة والضغط وقياس العناصر الكيميائية (نسبة العناصر في المادة)، والقوى الأخرى بما في ذلك الإجهاد العادي (الضغط) وإجهاد القص.
قال ياو: “إن الأدوات التي قمنا بتطويرها كمجموعة مميزة جدًا لأنه يمكنك بالفعل تصوير الوظيفة تحت الضغط وتحديد المكان الذي تعمل فيه المادة بالضبط كموصل فائق”.
يقوم الباحثون بضبط الضغط مثل “مقبض الضبط”. بالقرب من الضغط الحرج، رأوا أول دليل على الموصلية الفائقة في المناطق المحلية. ومع زيادة الضغط، شملت هذه المناطق فائقة التوصيل أجزاء أكبر من الصخور. واكتشفوا أيضًا أن الموصلية الفائقة قد تم تقليصها بسبب ضغوط القص.
حتى الآن، كانت النتائج المتفاوتة في النيكلات تُعزى إلى مجموعة من الاحتمالات، مثل عدم التجانس في الكيمياء والبنية. تكشف الدراسة الجديدة أن العينة الواحدة يجب أن يُنظر إليها على أنها مجموعة من المواقع ذات الحجم الميكروني والتي تتصرف بشكل مختلف.
يمكن لهذه الأفكار أن تساعد في هندسة مواد أكثر كفاءة، وهي خطوة صغيرة نحو الهدف النهائي المتمثل في الموصلات الفائقة التي تعمل في درجات الحرارة والضغوط المحيطة.
وقال لومان، وهو متعاون متكرر مع مجموعة ياو، إن الأدوات الجديدة ستسمح للباحثين “بالتعرف على هذا الحي بشكل أفضل”، والتحقيق بشكل أعمق في خصائص الأنواع المتنوعة من المواد فائقة التوصيل التي تم اكتشافها حتى الآن.
“يبدو الأمر كما لو سقطت شجرة في الغابة ولم يكن هناك أحد ليسمعها، فهل تصدر صوتًا؟” قال لومان. “إذا لم يكن هناك أحد ليخبرك، فهذا ليس شيئًا يمكنك رؤيته أو مناقشته. وحقيقة أننا نستطيع الآن إجراء هذه القياسات المحلية تفتح مجموعة جديدة تمامًا من الأسئلة.”
