ما هي الموصلية الفائقة؟ كيف تعمل، وما هي

الموصلية الفائقة هي مواد تحقق الموصلية الفائقة، وهي حالة مادة ليس لها مقاومة كهربائية ولا تسمح باختراق المجالات المغناطيسية.

يمكن أن يستمر التيار الكهربائي في الموصل الفائق 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 آلات 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 الفيزيائي الهولندي Heike Kamerlingh Onnes. في عام 1911، كان أونز يدرس الخصائص الكهربائية للزئبق في مختبره بجامعة لايدن في هولندا.

عندها وجد أن المقاومة الكهربائية للزئبق اختفت تمامًا عندما خفض درجة الحرارة إلى أقل من 4.2 كلفن – أي 4.2 درجة مئوية فقط 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 مايسنر وروبرت أوشنفيلد أن الموصلات الفائقة “تطرد” أي مجالات مغناطيسية قريبة، مما يعني أن الحقول المغناطيسية الضعيفة لا يمكنها اختراق بعيد داخل الموصل الفائق.تسمى هذه الظاهرة بتأثير مايسنر.

في عام 1950 نشر الفيزيائيين النظريين ليف لانداو وفيتالي جينزبورغ نظرية حول كيفية عمل الموصلات الفائقة، وفقًا لسيرة جينزبورغ على موقع جائزة نوبل.

على الرغم من نجاحهم في التنبؤ بخصائص الموصلات الفائقة، إلا أن نظريتهم كانت “عيانية”، مما يعني 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، يجب أن تكون الإلكترونات الموجودة في المعدن حرة في الارتداد.

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.

وضع باردين وكوبر وشريففر هذه القطع معًا لتشكيل نظريتهم، المعروفة باسم نظرية BCS، والتي نشروها في مجلة Physical Review Letters.

إقرأ أيضاً… ما هي الموصلية الكهربائية؟

كيف تعمل الموصلات الفائقة؟

عندما ينخفض المعدن إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة، تشكل الإلكترونات الموجودة في المعدن روابط تسمى أزواج كوبر.

عندما يتم إغلاقها بهذه الطريقة، لا تستطيع الإلكترونات توفير أي مقاومة كهربائية، ويمكن للكهرباء أن تتدفق عبر المعدن بشكل مثالي. 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. هذا هو السبب في أن أونز، في تجاربه الأصلية، وجد أن الزئبق تصرف كموصل فائق عند 4.19 كلفن، ولكن ليس 4.2 كلفن.

ما هي استخدامات الموصلات الفائقة؟

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 مغناطيسًا كهربائيًا قويًا.

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 في:

• القطارات المغناطيسية.

• مفاعلات الاندماج النووي التجريبية.

• مختبرات مسرعات الجسيمات عالية الطاقة.

• تشغيل المدافع الكهرومغناطيسية والبنادق.

• محطات قواعد الهاتف الخلوي.

• الدوائر الرقمية السريعة.

• كاشفات 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. تسمح الموصلات الفائقة للمغناطيسات الكهربائية القوية في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي بالعمل دون ذوبان الجهاز.

أحد أكثر تطبيقات الموصلات الفائقة إثارة للاهتمام هو جهاز الكمبيوتر الكمي. 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 كمومي من كونها ‘0 و ‘1 في نفس الوقت.

يمكن للأجهزة فائقة التوصيل أن تحاكي هذا. 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.

إقرأ أيضاً… ما هو الإشعاع الكهرومغناطيسي؟

مستقبل الموصلات الفائقة.

إن الهدف من أبحاث الموصلات الفائقة هو العثور على مادة يمكن أن تعمل كموصل فائق في درجات حرارة الغرفة. حتى الآن، تم الوصول إلى أعلى درجة حرارة فائقة التوصيل باستخدام هيدريد الكبريت الكربوني المضغوط للغاية.

والذي وصل إلى الموصلية الفائقة عند 59 فهرنهايت (15 درجة مئوية، أو حوالي 288 كلفن)، ولكنه 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 المادة التي تسمح بالموصلية الفائقة.