الناقلية الفائقة في مادة لا تصنف من بين النواقل الفائقة

مادة , الفائقة , الناقلية , النواقل , تصنف

فيزيائيون يحققون الناقلية الفائقة في مادة لا تصنف من بين النواقل الفائقة



تمكن باحثون، وللمرة الأولى، من تحقيق الناقلية الفائقة - أي ظاهرة انتقال الكهرباء بمقاومة معدومة - في مادة لا تتمتع بهذه الخاصية.
تمثل التقنية الجديدة تطبيقا لمفهوم تم اقتراحه لأول مرة في سبعينيات القرن الماضي، ولكن لم يتم برهانه حتى الآن، وقد يؤدي إلى وسائل لجعل النواقل الفائقة الحالية - مثل التي نجدها في آلات الرنين المغناطيسي أو القطارات المرفوعة مغناطيسياً - أرخص وأكثر فعالية في درجات الحرارة العليا.
يقول الباحث الرئيسي بول س. و. تشو من جامعة هيوستن : "تستخدم الناقلية الفائقة في الكثير من الأشياء، وربما تكون آلات التصوير بالرنين المغناطيسي أشهرها."
غير أن المواد فائقة الناقلية يمكن أن تحدث ثورة في العديد من الصناعات الأخرى، لو كانت أكثر جدوى اقتصادية. يمكن للنواقل الفائقة أن تستخدم لبناء أنظمة نقل فائقة السرعة، وعديمة الاحتكاك، مثل القطارات المرفوعةمغناطيسياً و الهايبرلوب ، وعلاوة على هذا، يمكن استخدامها أيضاً لزيادة فعالية شبكات نقل الطاقة الكهربائية بشكل كبير.
حالياً، تتسبب المواد المستخدمة لنقل الكهرباء من محطات توليد الطاقة إلى منازلنا بضياع 10% من الطاقة أثناء عملية النقل. غير أن النواقل الفائقة لن تتسبب بضياع أي مقدار من الكهرباء، وبالتالي يمكن لشركات الطاقة تزويدنا بالمزيد منها بدون الحاجة إلى توليد المزيد من الكهرباء.
المانع الذي يعيق تحقيق كل هذه التطبيقات هو أن النواقل الفائقة التجارية يجب أن تبرد إلى 269.1 درجة مئويةتحت الصفر للوصول إلى حالة انعدام المقاومة الكهربائية، وهو أمر باهظ الثمن، ويستهلك الكثير من الطاقة.
حتى أفضل النواقل الفائقة، والتي لا تزال قيد الاختبار في المخابر، لا تستطيع تحقيق الناقلية الفائقة في درجاتحرارة أعلى من 70 درجة مئوية تحت الصفر. وما زال الباحثون يحاولون تقريب هذه الحرارة، والتي تسمى بالحرارة الحرجة، من درجة حرارة الغرفة.
كان الباحثون سابقاً يظنون أن أفضل طريقة لرفع درجات الحرارة للناقلية الفائقة هي العثور على طريقة لتحريض حالة الناقلية الفائقة في مواد لا تتصف بهذه الخاصية.
تقول الفكرة إنه إذا أمكن جعل المواد العادية فائقة الناقلية، يمكن أن يفتح هذا المجال أمام جعل النواقل الفائقة تعمل في درجات حرارة أعلى.
والآن، خطَت جامعة هيوستن الخطوة الأولى، وذلك بتحريض الناقلية الفائقة في مرحلة تجتمع فيها حالتان من حالات المادة، وتعرف هذه المرحلة بالحد الفاصل.
تم تحقيق هذه الحالة في أرسنيد حديد الكالسيوم (CaFe2As2)، وهي مادة لا تتمتع بصفة الناقلية الفائقة.
كتب الباحثون: "أحد الطرق التي تم اقتراحها منذ زمن طويل لتحسين درجة الحرارة الحرجة هي الاستفادة من الحدود الفاصلة المتولدة بشكل طبيعي أو اصطناعي. يبين العمل الحالي، وبوضوح، أن درجة الحرارة الحرجة العالية يمكن توليدها في مادة معروفة بأنها ليست من النواقل الفائقة، أرسنيد حديد الكالسيوم CaFe2As2، وذلك بتحريض الناقلية الفائقة فيها عن طريق تكديس الطبقات المضادة للمغناطيسية/ المعدنية، وبالتالي يعتبر هذا العمل أقوى دليل مباشر - حتى الآن - على درجة الحرارة الحرجة المحسنة في هذا المركب."
إذاً، كيف يتم تحقيق هذا؟ تم طرح فكرة تحريض الناقلية الفائقة عند الحد الفاصل بين مادتين، أو حتى تحسينها، لأول مرة في سبعينيات القرن الماضي.
ولكن، وعلى الرغم من محاولة العديد من الفرق البحثية إثبات صحة هذه الطريقة، إلا أن التجارب الماضية التي حققت الناقلية الفائقة لم تستطع استبعاد أثر الإجهاد أو الإشابة الكيميائية على النتائج، وبالتالي لم يتم تأكيد صحة هذا التأثير حتى الآن.
للتأكد مما كان يحدث فعلياً، عمل باحثو هيوستن ضمن ضغط جوي متحكم به، واستخدموا أرسنيد حديد الكالسيوم غير المشاب.
قام الباحثون بتسخين المادة إلى 350 درجة مئوية، وذلك لتحقيق عملية تسمى التطويع الحراري، حيث يتم تبريد المادة ببطء بعد تسخينها.
نتيجة لهذه العملية، ظهرت في المادة حالتان متمايزتان، وقد حدث هذا خلال تبرد المادة بشكل غير متجانس.
على الرغم من أن كلا الحالتين لا تتصفان بالناقلية الفائقة، إلا أن الفريق تمكن من اكتشاف ناقلية فائقة عن نقطة التقائهما، مما يبرهن على صحة نظرية الحد الفاصل.
حقق أرسنيد حديد الكالسيوم الناقلية الفائقة عند 25 كلفن تقريباً، أي ما يقارب 248.15 درجة مئوية تحت الصفر، وبالتالي لن يكون ذا نفع يذكر في المجال الصناعي. لكن الخطوة المقبلة ستكون استخدام نفس العملية للحصول على وسائل لجعل النواقل الفائقة أكثر فعالية عند الحد الفاصل في درجات الحرارة العالية.
لنجهز هذه القطارات المرفوعة مغناطيسياً.
تم نشر البحث في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences.

المصدر: ملتقى شذرات