بين التضاد والتماثل

يتم التعبير عن الموصلية الفائقة في الغياب المطلق للمقاومة لمرور تيار كهربائي في المادة. تتراوح التطبيقات الممكنة للموصلات الفائقة بين نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة دون فقد، إلى القطارات التي تحوم فوق المسارات، دون احتكاك.

كل قصة جيدة لها جذور عميقة ومستقبل مشرق. في هذه الحالة، يتم وصف المستقبل التحذيري (الخيالي) في كتاب "عالم الخاتم" للمؤلف الحائز على جائزة "هوغو"، لاري نيفن. العالم الحلقي مبني على فكرة الفيزيائي فريمان دايسون الذي ادعى أن طريقة اكتشاف الحضارات الذكية في الكون هي من خلال البحث عن "الأفلاك العملاقة التي ستشكلها حول شموسها (بدلا من البحث عن الكواكب التي هي قليلة نسبياً ولها مساحة صغيرة)". يستكشف أبطال نيفين عالم الخاتم، ومن بين أمور أخرى، يكتشفون فيه، في منطقة معيشة بناة الخاتم (الذين اختفوا)، مرافق مختلفة تعتمد على مواد فائقة التوصيل تعمل في درجة حرارة الغرفة. ويوضح نيفن أن هذه المواد هي الدليل البارز على المستوى العلمي الأعلى لبناة الخاتم. تعود جذور القصة إلى عام 1911، عندما اكتشف هايك كامرلينج أونز ظاهرة الموصلية الفائقة (عمل آخر له حصل لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء).

يتم التعبير عن الموصلية الفائقة في الغياب المطلق للمقاومة لمرور تيار كهربائي في المادة. تتراوح التطبيقات الممكنة للموصلات الفائقة من نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة دون فقد، إلى القطارات التي تطفو فوق القضبان، دون احتكاك، مما يتيح الحركة السريعة مع انخفاض استهلاك الوقود (يعتمد هذا التطبيق على حقيقة أن الموصلات الفائقة تتنافر مع المجالات المغناطيسية) ). المشكلة هي أن الموصلية الفائقة تحدث عند درجات حرارة منخفضة جدًا - قريبة من الصفر المطلق. منذ حوالي 30 عامًا، تم اكتشاف الموصلات الفائقة في درجات حرارة عالية نسبيًا: -137 درجة مئوية "فقط". لكن كل المحاولات لتحسين هذه النتيجة لم تسر على ما يرام.

لماذا "تنهار" الموصلية الفائقة عند تسخين المادة إلى درجة حرارة أعلى من 137 درجة تحت الصفر؟ لا أحد يعرف في الواقع، نحن لا نفهم الأسباب والآليات التي تخلق الموصلية الفائقة في درجات حرارة عالية نسبيا. ويعتقد العلماء أن فهم أسباب ذلك سيعزز القدرة على تطوير الموصلات الفائقة التي تعمل في درجات حرارة أعلى، مما قد يسمح بتطبيقات أبسط للموصلات الفائقة.

في محاولاتهم لفهم أصول الموصلية الفائقة، بدأ البروفيسور دان شاهار والطالب الباحث موز عوفاديا، من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، في "إفساد" الموصلات الفائقة، بهدف اكتشاف النقطة الدقيقة عند الذي يفقدون هذه الخاصية. فإذا فهموا أسباب فقدان الممتلكات، فقد يصوغون رؤى جديدة فيما يتعلق بأسباب ظهور الموصلية الفائقة.

هناك طرق مختلفة لإفساد الموصل الفائق. يعتمد أحدها على تدمير الجزيئات الخاصة الموجودة في الموصلات الفائقة، والتي تسمى "أزواج كوبر". وهي تتكون من أزواج من الإلكترونات تشكل معًا ما يشبه الجسيم الواحد، وعندما يتم تدمير "أزواج كوبر"، يفقد الموصل الفائق خاصية الموصلية الفائقة.

وهناك طريقة أخرى تقوم على "العلاقة الخاصة" الموجودة بين الموصلات الفائقة والمجالات المغناطيسية التي تخترقها كنوع من الدوامات الحالية الصغيرة، والتي تحتوي كل منها على تدفق مغناطيسي ضعيف في المركز. وفي ظل الظروف المثالية، تنتظم هذه الدوامات على مسافات متساوية من بعضها البعض، في تكوين يذكرنا بترتيب الجزيئات في البلورة الصلبة. لكن، في ظل ظروف معينة، قد يحدث "ذوبان" "البلورة"، لتنتقل الدوامات إلى حالة من الاضطراب، تذكر ببنية المادة عندما تكون سائلة. عندما تصبح الدوامات "سائلة" وتبدأ في "التدفق" - يفقد الموصل الفائق خاصية التوصيل. من الممكن "إفساد" الموصل الفائق حتى عند دخول شوائب مختلفة إليه، وكذلك عند تسخينه. لكن البروفيسور شاهار وموز عوفاديا اختارا القيام بذلك عن طريق تفعيل مجال مغناطيسي قوي. لقد غيروا ببطء قوة المجال المغناطيسي ودرجة الحرارة، واكتشفوا أنه في مزيج معين، تفقد المادة تمامًا القدرة على توصيل التيار الكهربائي. بمعنى آخر، اكتشفوا وجود ظاهرة يمكن أن نطلق عليها «العزلة الفائقة». في هذه المرحلة، توجد ميزة عند درجات حرارة منخفضة جدًا، قريبة من الصفر المطلق، ولكن إذا تم العثور على طريقة لإنشاء عوازل فائقة تعمل في درجة حرارة الغرفة، فسيكون من الممكن استخدامها، من بين أشياء أخرى، لإنتاج الترانزستورات التي لا تفقد الكهرباء، وكذلك البطاريات والمراكم الكهربائية التي ستعمل لفترة أطول بكثير مقارنة بتلك المتوفرة لدينا اليوم.

وفي دراسة حديثة أجراها العلماء، ونشرت في المجلة العلمية Nature Physics، أفادوا أن الفرق بين حالة الموصل الفائق وحالة العازل الفائق صغير جدًا، وأن الانتقال بينهما سريع. وهو نوع من التشابه والتقارب بين الأضداد، وهو ما يذكر ربما بالقرب المعروف بين الحب والكراهية.

ما معنى هذا القرب؟ بدأ العلماء بتطبيق المجال المغناطيسي ببطء على موصل فائق وعازل فائق. وهكذا اكتشفوا أنه عند نقطة معينة هناك مساواة بين درجة التوصيل الكهربائي للعازل ودرجة عزل الموصل.

في حالة التوصيل الفائق، يتم قفل الدوامات المغناطيسية، بينما تتدفق "أزواج كوبر". في حالة العزلة، ينعكس الوضع: يتم تنظيم "أزواج كوبر" وقفلها، بينما تتدفق الدوامات المغناطيسية. لكن العلماء اكتشفوا أنه عند النقطة التي يوجد فيها تكافؤ بين موصلية العازل ودرجة عزل الموصل، يوجد تماثل معين في "الاقتران الغريب" بين "أزواج كوبر" والدوامات المغناطيسية. ويأمل العلماء أن يكشف فهم هذا التناظر، أو هذا الاعتماد، في إحدى دراساتهم القادمة، عن سمة عميقة لظاهرة الموصلية الفائقة، وربما ظاهرة العزل الفائق.