علماء يكتشفون سبب وجود الناقلية الفائقة في درجات الحرارة العالية

الفيزياء الكمومية

الناقلية الفائقة هي خاصية تسمح للمادة بنقل الكهرباء بمقاومة ضئيلة أو معدومة. على عكس التوصيلات الكهربائية التقليدية، فإن المادة فائقة الناقلية يمكن أن تسمح بنقل الكهرباء بدون ضياع في الطاقة، وبدون ارتفاع في درجة الحرارة.

غير أن المشكلة هي وجود شرط أساسي صعب تتطلبه المواد فائقة الناقلية للعمل: درجات حرارة منخفضة جداً، ففي درجات الحرارة المنخفضة، ينخفض مقدار الطاقة في المادة (مثل السلك الكهربائي)، والتي تتسبب بحركة الإلكترونات في جميع الاتجاهات، وتؤدي بدورها إلى نشوء المقاومة الكهربائية وارتفاع أكثر في درجة الحرارة.

يجعل هذا الأمر من المواد فائقة الناقلية العادية عديمة الفائدة في درجة حرارة الغرفة، وتنخفض كفاءة هذه المواد بشكل كبير في المنشآت التي لا مفر فيها من ارتفاع الحرارة، حيث تكون الحاجة إلى هذه المواد أكبر ما يمكن.

في عام 1986، اكتشف أن مركبات أوكسيد النحاس، والمسماة كوبريت، تمتلك ميزة المحافظة على الناقلية الفائقة بدون مقاومة كهربائية عند حرارة أعلى بمئات الدرجات من الحرارة شديدة الانخفاض التي تتطلبها النواقل الفائقة العادية.

يعرض هذا الفيديو عمل النواقل الفائقة:

تمكننا هذه الميزة الفريدة من الحصول على شبكات كهربائية عديمة الفقد، وحواسيب خارقة عالية الأداء، وأنظمة نقل تعتمد على الرفع المغناطيسي ذات جدوى اقتصادية أكبر، وبشكل عام، فإن إحداث تغيير في كيفية إنتاج الطاقة، ونقلها، واستخدامها سيؤدي هذا بالتالي إلى تغيير تصميم الأدوات والآليات أيضاً. حاول العلماء اكتشاف كيفية حدوث كل هذا، على أمل تطبيقه عملياً على المواد المستخدمة هندسياً في المستقبل.

أما الآن، فقد تمكن فيزيائيون في مختبر بروكهافين الوطني التابع لوزارة الطاقة الأميركية من حل اللغز. غير أن الجواب جعلهم يلقون جانباً بكل تصوراتهم السابقة عن سلوك الجسيمات، وهي نكتة تحب الفيزياء الكمومية أن تلقيها باستمرار.
الفيزياء الكمومية علم يحتاج للصبر: فبعد أن أمضى العلماء 30 سنة يبحثون عن إجابات، اكتشفوا أنهم كانوا ينظرون إلى تجاربهم بشكل خاطئ، على الرغم من تطبيقهم لأساسيات كانت تعتبر "صحيحة" منذ عقود.

يقول قائد الدراسة إيفان بوزوفيتش، وهو فيزيائي أساسي في قسم علم المواد وفيزياء المواد الكثيفة التابع لمختبر بروكهافين: "لطالما كان حل لغز الناقلية الفائقة في درجات الحرارة العالية هدفاً أساسياً في فيزياء المواد الكثيفة لفترة تزيد عن 30 سنة. إن نتائج تجربتنا تشكل أساساً لتفسير منشأ الناقلية الفائقة في درجات الحرارة العالية في مركبات أوكسيد النحاس، وهو أساس يتطلب إطاراً نظرياً جديداً بالكامل."

كشف التحليل الذي أجري على آلاف العينات من مركبات أوكسيد النحاس أن هذه القدرة تعتمد على كثافة الأزواج الإلكترونية، أو عددها ضمن واحدة المساحة، وهو ما يناقض النظرية المعيارية في الناقلية الفائقة، والتي تقول إن درجة الحرارة الحرجة هذه تتحكم بها شدة التفاعل في الأزواج الإلكترونية.
بمعزل عن هذا، فقد أظهرت القياسات علاقة خطية دقيقة بين كثافة الأزواج الإلكترونية ودرجة الحرارة الحرجة. وبإضافة المزيد من عوامل الإشابة لتغيير الخصائص الكهربائية، فقد انخفض كلا المقدارين إلى أن توقفت الإلكترونات عن الارتباط ضمن أزواج، وهو تناقض آخر، لأنه كان من المفترض أن تتزايد مقاومة هذه العينات بزيادة نسبة الشوائب فيها.

يقول بوزوفيتش: "سيكون للفوضى، فك ترابط الحالة، أو انفصال الأزواج الإلكترونية تأثير معاكس، بسبب إدخال تبعثر يؤدي إلى إعاقة تدفق الإلكترونات، مما يزيد من مقاومة المادة، أي يضعف من صفاتها المعدنية."

من المعروف أن لمركبات أوكسيد النحاس أزواجاً إلكترونية موضعية أصغر مما في النواقل الفائقة العادية، وقد بدأ العلماء الآن في محاولة كشف سبب صغر الأزواج الإلكترونية إلى هذه الدرجة في هذه النواقل الفائقة.