إنجاز حققه باحث إسرائيلي قد يساعد في فك سر الموصلات الفائقة، مع التغلب على مشكلة كبيرة في العلوم
في عام 1911، درس الفيزيائي الهولندي هيكي كامرلينج أونيس خصائص الزئبق الصلب عند درجة حرارة منخفضة للغاية (حوالي 269 درجة تحت الصفر، أي - حوالي أربع درجات فقط فوق الصفر المطلق) واكتشف غرضًا مذهلاً. اختفت المقاومة الكهربائية للزئبق تمامًا. وهذا يعني أنه إذا قمت بتوصيل حلقة الزئبق هذه بمصدر حالي، ثم قمت بفصلها، فيمكن أن يستمر التيار في التحرك عبر الزئبق إلى أجل غير مسمى. أدرك Kamerling-Ones على الفور الأهمية الهائلة للاكتشاف وأطلق على الحالة الخاصة للزئبق اسم "الموصلية الفائقة". فسارع إلى التحقق مما إذا كانت الظاهرة موجودة في معادن أخرى، وسرعان ما اكتشفها في القصدير والرصاص أيضًا. أحدث هذا الاكتشاف ضجة في العالم العلمي بأكمله (وحصل كامرلينج أونز على جائزة نوبل في عام 1913) - وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف نظام "مثالي" - نظام لا يوجد فيه فقدان للطاقة على ما يبدو. قد تغير مثل هذه الموصلات وجه الأنظمة الكهربائية والأجهزة الكهربائية، وبما أنها لا تسخن (لا يوجد فقدان للطاقة)، فيمكن استخدامها في العديد من التطبيقات التي تتطلب تيارًا كهربائيًا قويًا للغاية وبالتالي فهي عرضة للتسخين. وأيضًا لإنشاء مجالات مغناطيسية قوية للغاية (السلك الكهربائي الذي يتم من خلاله تمرير التيار يخلق مجالًا مغناطيسيًا). اكتشف الباحثون لاحقًا خاصية أخرى مثيرة للاهتمام للموصلات الفائقة - فهي تصد المجال المغناطيسي المطبق عليها. هذا يعني أنه إذا قمت بالضغط على مغناطيس بالقرب من هذا الموصل، فإنه عند نقطة معينة سوف يطفو فوق الموصل. ومن الممكن أيضًا تصميم المغناطيس بحيث يتحرك فوق الموصل دون تلامس أو احتكاك بينهما، مما يؤدي إلى توفير كبير في الطاقة.
بارد، ولكن أقل من ذلك
كانت هناك شوكة كبيرة في الجدار العظيم للموصلية الفائقة. وتوجد هذه الظاهرة فقط عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273.15 درجة). ولذلك، فإن استخدام خصائصه الرائعة أمر مرهق ومكلف للغاية، وفي كثير من الحالات - غير عملي. وبتعبير أدق، كان هذا هو الحال منذ 75 عاما. في عام 1986، أعلن اثنان من الباحثين في مختبرات IBM عن اكتشاف ثوري - مواد خزفية تعتمد على النحاس، والتي تحافظ على خصائص الموصلات الفائقة حتى في درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا. اكتشف يوهانس بيدنورز وكارل مولر مادة تعمل كموصل فائق عند درجة حرارة 35 درجة كلفن (فوق الصفر المطلق)، وبعد عام تم اكتشاف مادة تحافظ على هذه الخاصية عند 92 درجة كلفن (-181 درجة مئوية). لا يزال الجو باردًا جدًا، ولكن يمكن بالفعل تحقيق درجة الحرارة هذه باستخدام النيتروجين السائل، وهي مادة متاحة بسهولة أكبر بكثير من الهيليوم السائل اللازم لدرجات حرارة تقترب من الصفر المطلق. وفي السنوات الأخيرة، تم اكتشاف الموصلات الفائقة أيضًا عند 135 كلفن، وهي درجة حرارة مرتفعة نسبيًا، لكنها لا تزال بعيدة جدًا عن حلم الفيزيائيين والمهندسين - وهي مادة ستكون موصلة فائقة في درجة حرارة الغرفة وستغير عالمنا من النهاية إلى النهاية. ومن العوائق التي تعترض طريق تحقيق هذا الحلم هي عقبة المعرفة - فما زال العلماء لا يفهمون بشكل كامل ظاهرة الموصلية الفائقة وكيفية حدوثها، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة. ويقدر العلماء أن هذه الظاهرة مرتبطة بتغيرات في الخواص المغناطيسية للمادة، لكن محاولات فك اللغز، خاصة في هذا الاتجاه، واجهت عقبة لا يمكن التغلب عليها، تتمثل في مشكلة الإشارة.
ليس كل شيء إيجابيا
تعتبر مشكلة الإشارة من أصعب المشاكل التي تواجه العلماء. ينشأ في الأنظمة التي يكون من الضروري فيها تلخيص مليارات البيانات، بعضها سلبي وبعضها إيجابي، وفي كثير من الحالات تتضمن أيضًا أرقامًا معقدة، أي جذر الرقم السالب. في مثل هذه المسائل، وبسبب جمع الموجب والسالب، فإن أي خطأ صغير في المخطط يمكن أن يؤدي إلى انحراف كبير في النتيجة، وفي غياب طريقة رياضية لتقليل هامش الخطأ، يصعب الرجوع إليه إلى النتائج. مشكلة الإشارة شائعة بشكل خاص في المسائل المتعلقة بفيزياء الكم، وخاصة تلك التي يكون من الضروري فيها حساب وجمع مسارات العديد من الإلكترونات أو الجسيمات المشابهة لها. على سبيل المثال - عند محاولة فهم ظواهر متعمقة مثل تغير المغناطيسية في مادة ما. ومع ذلك، فإن المشكلة لا تقتصر على هذا المجال. إنها السبب الجذري للعديد من المشكلات التي تعتبر غير قابلة للحل في فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية وفيزياء المواد المكثفة، وتعتبر أيضًا مشكلة مركزية جدًا في علوم الكمبيوتر. إن الحل العام لمشكلة الإشارة -إن وجد- سيحقق اختراقات حقيقية في هذه المجالات، ومن المرجح أن يفوز من يحلها بجائزة نوبل.
حل خاص
وكما ذكرنا، من المحتمل جدًا ألا يكون هناك حل عام لمشكلة الإشارة، لكن اختراقًا قام به باحث إسرائيلي يجعل من الممكن معالجة المشكلة - أو على الأقل التحايل عليها بنجاح - في مسألة الخواص المغناطيسية للموصلات الفائقة . قام الدكتور إيريز بيرج، وهو حاليا باحث في قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان، بإجراء البحث خلال تدريبه بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد. واعتمد على نموذج يسمح بأخذ عينات من عدد صغير نسبيا من مسارات الإلكترون، بدلا من محاولة تلخيص كل مليارات المسارات، وقام بمعالجة النموذج بحيث لا يمكن استخدامه إلا للمسارات ذات الإشارة الإيجابية، والتي - بالطبع - لا توجد مشكلة في التلخيص بدقة. وفي عمل نظري معقد، قام مع زملائه بتطوير برنامج كمبيوتر يمكّن من إجراء أخذ العينات بالمستوى اللازم من الدقة، ومحاولة معرفة كيف ستتصرف الإلكترونات في الموصل الفائق عند درجة حرارة عالية. وكانت النتيجة مفاجئة للغاية. يقول الدكتور بيرج: "لقد رأينا أن المعدن يصبح موصلًا فائقًا تمامًا حيث يحدث تغيير في مرحلته المغناطيسية". "يسمح لنا هذا بمحاولة فهم أفضل لكيفية عمل الموصلات الفائقة عند درجات الحرارة العالية - نحتاج الآن إلى رسم تنبؤات حول كيفية تصرف مواد معينة وفحص ما إذا كانت التغيرات المغناطيسية هي بالفعل مفتاح الموصلية الفائقة، بمساعدة البرنامج الذي قمنا بتطويره. في درجة حرارة عالية." تم نشر هذا الاختراق مؤخرًا في مجلة Science المهمة. والآن، يقول بيرج، إن البحث يسير في اتجاهين. الأول هو دراسة مسألة الموصلية الفائقة. وإذا تبين أن التغيرات المغناطيسية هي أساس هذه الظاهرة، فسيكون من الممكن محاولة اختبار تطور الموصلات الفائقة في درجات حرارة أعلى، والحلم بالطبع هو أن تكون المواد التي بالكاد تحتاج إلى التبريد. الاتجاه الآخر هو التحقق مما إذا كان الحل الذي تم تطويره لهذه الحالة بالذات يمكن تطبيقه على المشكلات المادية الأخرى التي توقف حلها بسبب مشكلة الإشارة. قد لا يكون تطوير بيرج مناسبًا لمشاكل إضافية، لكن التجربة تثبت أنه إذا تم حل مشكلة واحدة بنجاح، فمن المحتمل أن يكون هناك حل مخفي في مكان ما لبعض أخواتها على الأقل، وبالتالي تم فتح الباب للتعامل مع مشكلة لا تزال حتى الآن كان يعتبر غير قابل للذوبان.
تعليقات 13
إنها مثل الحياة الأبدية
كم هو جميل مثل الدينامو الذي لا ينتهي بموصل فائق، التيار يدور في دائرة كهربائية دون انقطاع، هذا يمكن أن يكون حلا لانتهاء فاتورة الكهرباء في المنزل هههه وحتى اليوم يقوم الناس بتركيب مجمعات الطاقة الشمسية ولكن هناك شيء لذلك
لتحميل المقال الأصلي مجاناً (في العلم تدفع)، يرجى التواصل مع الموقع
http://arxiv.org/abs/1206.0742
وتحميل قوات الدفاع الشعبي.
لمن يتمكن من قراءة مقال في الفيزياء النظرية للمادة المكثفة.
وإلا فإن المقال في هيدان يقدم خدمة ممتازة في بساطة تقديم المادة.
تفسير بديهي غير دقيق (ينتبه إلى الحدس في القياسات وبدرجة أقل في الشكليات):
في موصل فائق في تفسير شبه كلاسيكي (أي يطيع قوانين نيوتن) وهذا غير صحيح - لأن التأثير كمي،
لا يحدث تصادم بين حاملات الشحنة والأيونات ذات العلامات المعاكسة التي تحبسها، أو أنها لا تهدر الطاقة، بسبب انخفاض درجة الحرارة. لماذا؟ على مستوى خراطة: لأنه عند درجة الحرارة المنخفضة تفقد الجزيئات هويتها وإذا تغيرت الأدوار النشطة لا يوجد فرق لأنها جميعها منخفضة الطاقة. هناك تزامن كامل بين الجزيئات التي تحمل الحركة مثل مجموعة كثيفة من الناس يرقصون في دوائر في غرفة مزدحمة، والتي بسبب انخفاض درجة الحرارة (= الطاقة) لا تصطدم ببعضها البعض أو مع الأشخاص الذين يقفون في الطريق، ولكن تدور فقط في دوائر (كهربائية) على مسافة ثابتة من بعضها البعض.
العلامة في رأيي هي فقط علامة على الزخم الزاوي، الدوران، وهو خاصية للفرميونات، وهي جسيمات لا يمكنها أن تشغل نفس مستوى الطاقة في درجات الحرارة الأعلى. إذا شبهنا مستويات الطاقة بالصناديق الفارغة التي يمكن أن يسقط فيها الجسيم، فلا يمكن للفرميونات أن تتواجد في صندوقين بنفس الطاقة.
مثال على الفرميونات: الإلكترونات والأيونات.
في المقابل، البوزونات هي جسيمات يمكن أن تتواجد في صندوقين بنفس مستوى الطاقة بل وأكثر.
مثال على البوزونات: الفوتونات – جسيمات الضوء = حاملات الطاقة للمجال الكهرومغناطيسي.
ويعالج موضوع الموصلية الفائقة حاليا بنظرية تسمى نظرية فيرمي السائلة، وقد قام بتطويرها
في الأصل كان ليف-ديفيدوفيتز ولاندو في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين، بسبب سيولة الهيليوم الفائقة المستخدمة لتبريد المفاعلات النووية. لانداو، رغم حريته في تصريحاته، تم إنقاذه من أحد معسكرات الاعتقال في أيام ستالين لأن كبير العلماء في المشروع الذري الروسي قال لستالين، لا أستطيع الاستغناء عنه. اليوم، تطورت الفيزياء الإحصائية إلى مستويات نظرية لا تصدق. ويكفي أن نذكر القدرة على وصف التحولات الطورية، ونموذج إيسينج.
ماذا ابتكر لانداو؟ وقبله، كان يتم التعامل مع مسائل الإلكترونات المتعددة في فيزياء الكم عن طريق كتابة معادلة شرودنغر متعددة الجسيمات، والتي تكاد تكون غير قابلة للحل، وغير قابلة للحل. يوجد في طريقته نموذج كمي متعدد الجسيمات يجمع
الإحصائيات الكلاسيكية ولكن على الجسيمات الكمومية.
هل هناك تفسيرات باللغة العبرية حول مشكلة الإشارة؟
لم أجد سوى المقالات باللغة الإنجليزية...
تطبيقات جميلة ايمانويل
إذا كنت قد ذكرت بالفعل ثم:
1. وضع حد للهدر الدائم لعشرات بالمائة من الكهرباء التي تتدفق عبر الكابلات المعدنية على أعمدة الكهرباء من محطة توليد الكهرباء إلى المستهلك النهائي. (حسنًا، هنا من سيستمتع بالأمر ربما تكون شركة الكهرباء فقط؛))
2. أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي أرخص (وأفضل)، مما يؤدي إلى زيادة إمكانية الوصول إلى هذه الأجهزة المهمة (لن تكون هناك حاجة للتبريد المبرد، وأفضل لأنه يمكن إنتاج مجالات مغناطيسية أقوى).
إيلي أنت سألت وأجبت بنفس الجملة
يمكن للمجال المغناطيسي أن ينتج شغلًا، بل إنه ينتج طاقة إذا تغير بالقرب من موصل
إذا كان المجال المغناطيسي ثابتًا ولا يتغير، فلن يتم إنشاء شغل، وبالتالي لا يوجد تناقض هنا
تمامًا كالزنبرك الممدود، طالما أن الزنبرك لا يتغير طوله فلا يوجد عمل
السبب الذي يجعل الموصلات الفائقة تثير الخيال هو التطبيقات العديدة التي يمكن إنتاجها
علي سبيل المثال
مغناطيس أقوى مليون مرة من المغناطيس الموجود دون إهدار الطاقة (القطارات الحوامة)
محامل كهرومغناطيسية ذات معاملات احتكاك 0
الشركة التي ستنجح في إنتاج موصل فائق في درجات الحرارة العادية ستهيمن على جميع التطبيقات التي تحتوي على محامل أو أجزاء متحركة (اذهب وفكر)
بمجرد أن يصبح موصلًا فائقًا في درجات الحرارة العادية، يمكنك نسيان البطاريات الكيميائية الكبيرة
سيكون من الممكن تخزين الطاقة بسهولة وإطلاقها بمعدل أسرع 1000 مرة من البطاريات
بالنسبة لي، بقدر ما أفهم، المادة في مرحلة التوصيل الفائق هي مغناطيس مضاد مثالي. أي أنه في وجود مجال مغناطيسي خارجي تتولد فيه تيارات حافة، وتصطف حالات دوران الإلكترون فيه لتكوين مجال مغناطيسي معاكس للمجال الخارجي وبالتالي لحجب المجال الخارجي داخل المادة.
لا يوجد مدخلات للطاقة في النظام هنا. يقوم النظام بتغيير خصائصه بالطريقة التي وصفتها، ليبقى في الحالة المفضلة طاقياً. أي حالة ذات طاقة إجمالية أقل من الحالة التي تكون فيها المادة غير مغناطيسية، على سبيل المثال.
أيضًا، عندما تستثمر الطاقة وتيار التدفق في النظام (وتفصل السلك الذي يوصل التيار إلى النظام على الفور)، يتدفق التيار عبر الموصل دون خسائر، وطالما تم الحفاظ على مرحلة التوصيل الفائق، سيستمر التيار في التدفق وبالتالي خلق مجال مغناطيسي دائم.
عند إنتاج عمل من هذا، فإنه يعادل استخدام مادة عبارة عن مغناطيس دائم. بعد كل شيء، في المغناطيس الدائم لا يوجد انخفاض في المغناطيسية مع مرور الوقت.
هذه هي الطريقة، على سبيل المثال، ماجليف يعمل في الصين. وهي عبارة عن سكة مرصوفة بمغناطيسات كهربائية، بينما يحتوي القطار الذي يحوم فوق السكة على مغناطيس دائم فائق التوصيل في الأسفل. وتتحقق حركة القطار عن طريق تحريض مجال مغناطيسي يتغير بشكل دوري ويكون بمثابة نوع من الموجة التي تدفع القطار إلى الأمام.
فقط للحصول على فكرة عن مدى عدم فقدان مرحلة الموصلية الفائقة، سأقدم مثالاً أعرفه شخصيًا.
اليوم، تُستخدم الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة المنخفضة على نطاق واسع لإنتاج مجالات مغناطيسية قوية للغاية. على سبيل المثال، في معجل الجسيمات في سارن وفي مختبرات مختلفة حول العالم.
أنا على دراية بمثل هذا الاستخدام في مجال الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، حيث يلزم وجود مجال مغناطيسي ثابت وقوي. توجد في أجهزة الرنين المغناطيسي النووي هذه مادة فائقة التوصيل معزولة جيدًا عن البيئة ويتم الحفاظ عليها باستخدام الهيليوم السائل عند درجة حرارة حوالي 4 درجات كلفن. عند تركيب الجهاز يتم تمرير تيار من خلاله لينتج المجال المغناطيسي اللازم ومن ثم يتم عزله عن البيئة.
وفي نفس الحالة التي أعرفها، فهو جهاز مثل هذا تم تركيبه عام 1996، ومنذ ذلك الحين وحتى اليوم يتدفق بالضبط (!) نفس التيار الذي تم إدخاله فيه، دون فقدان الطاقة!
إن تيارها في الموصل يخلق مجالًا مغناطيسيًا يمكن أن يخلق شغلًا، مما يعني أنه مضيعة للطاقة. فكيف لا يكون هناك هدر للطاقة في الموصل الفائق؟