مقاومة المقاومة

ما هي الآليات التي تؤدي إلى ظهور ظاهرة الموصلية الفائقة وخاصة عند درجات الحرارة المرتفعة؟

يتم التعبير عن الموصلية الفائقة في الغياب المطلق للمقاومة لمرور تيار كهربائي في المادة. وبهذه الطريقة يمكن، نظرياً على الأقل، نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة دون فقدان الطاقة، وتطوير تركيبات كهربائية لا تسخن، وغير ذلك. وحقيقة أن الموصلات الفائقة تتنافر مع المجالات المغناطيسية تجعل من الممكن، على سبيل المثال، تقليل الاحتكاك بين مسارات القطار وعجلات القطار، وبالتالي توفير الوقود، وتحريك القطار بسرعة هائلة. وفي الواقع، فإن الموصلات الفائقة (كما ذكر لاري نيفن) قد تزيل الحواجز وتغير وجه الواقع التكنولوجي إلى الأبد.

تنبع الصعوبة الرئيسية في تطوير تطبيقات الموصلية الفائقة من حقيقة أن هذه الظاهرة تحدث عند درجات حرارة منخفضة للغاية. تم اكتشاف أول موصل فائق عند درجة حرارة أربع درجات كلفن (269 درجة مئوية تحت الصفر). وجاء بصيص أمل كبير في هذا المجال، عندما تم اكتشاف الموصلات الفائقة الخزفية في الثمانينيات، والتي تعمل عند درجة حرارة عالية (نسبيًا): 80 درجة مئوية تحت الصفر، ثم حتى 181 درجة تحت الصفر "فقط".

وقد تباطأ تقدم الأبحاث في هذا المجال بشكل ملحوظ، لأنه لا أحد حتى الآن يفهم الأسباب والآليات التي تؤدي إلى ظهور ظاهرة الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة المرتفعة نسبيا. إحدى النظريات الشائعة تعزو هذه الظاهرة إلى ظهور جسيمات خاصة تسمى "أزواج كوبر"، والتي تتكون من أزواج من الإلكترونات التي تشكل معًا نوعًا من الجسيم الواحد، الذي يعمل كجسيم حامل للقوة (بوزون). البوزونات (على عكس الإلكترونات الفردية، والتي هي الفرميونات - جسيمات المادة)، يمكن أن تخضع لنوع معين من التكثيف. وهذا التكثيف هو الذي يخلق ظاهرة الموصلية الفائقة.

وهنا يطرح السؤال: كيف يتمكن إلكترونين يحملان شحنات كهربائية سالبة، وبالتالي يتنافران، من الالتصاق إلى الحد الذي يشكلان معًا جسمًا يعمل كجسيم واحد؟ هنا عليك أن تتذكر أن هذه إلكترونات تتحرك في موصل معدني. ينجذب كل إلكترون فردي إلى الأيونات المعدنية الموجبة للموصل. يجبر هذا الجذب إلكترونين مرتبطين به على الالتصاق معًا.

لكن هذا التفسير يناسب تكوين الموصل الفائق عند درجة حرارة منخفضة. فكيف تتشكل الموصلات الفائقة عند درجة حرارة عالية؟ اتضح أن انتقال مادة موصلة إلى حالة فائقة التوصيل يحدث بالقرب من "المنطقة" حيث تخضع المادة ("مرحلة انتقالية") إلى ظاهرة مضادة للمغناطيسية، حيث يتم ترتيب لفات الجسيمات في نوع من التعقيد البنية المكانية، حيث يكون مجموع السبينات، في المتوسط، صفرًا.

يمكن للتغيرات الصغيرة نسبيًا في درجة الحرارة أو الضغط لموصل فائق الحرارة عالي الحرارة أن تحول المادة من موصل فائق إلى مغناطيس مضاد. إن القرب بين الظاهرتين يعني وجود علاقة معينة بين ظاهرة الموصلية الفائقة وظاهرة المغناطيسية المضادة. لكن الطبيعة العميقة لهذا الارتباط لا تزال لغزا.

أحد الأسئلة المهمة المفتوحة في هذا المجال هو: كيف يظهر نمط دوران الإلكترون الذي يسمح بتكوين "أزواج كوبر" في مادة مضادة للمغناطيسية؟ وتواجه محاولات فهم الظاهرة مشكلة تعرف باسم "مشكلة الإشارة"، والتي تظهر في عدد كبير من المسائل في ميكانيكا الكم. يتم إعطاء احتمالية العمليات الفيزيائية (مثل حركة جسيم بين نقطتين معينتين في الفضاء) من خلال مخطط لجميع المسارات التي يمكن تنفيذ هذه العملية من خلالها، عندما يتم ربط عدد مركب بكل عملية. في المسائل التي تنطوي على عدد كبير جدًا من الجسيمات، مثل حركة الإلكترونات في المعدن، يكون عدد المسارات المحتملة لكل عملية هائلاً. هناك طرق رياضية تتيح تقدير هذه المبالغ من خلال رسم عدد صغير من المسارات "التمثيلية"، التي يتيح مجموعها تقدير المبلغ بالكامل. تسمى هذه الطريقة "طريقة مونت كارلو" نسبة إلى المدينة التي تكثر فيها دور القمار. لكن عندما يشتمل المجموع على أرقام موجبة وسالبة مجموعها رقم قريب من الصفر، تفشل طريقة مونت كارلو، لأن أي خطأ صغير في تقدير المجموع يتسبب في خطأ كبير -في الإشارة الموجبة أو السالبة- في النتيجة النهائية (وهو قريب من الصفر على أي حال).

قام الدكتور إيريز بيرج، من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، بتطوير نموذج يجعل من الممكن إيجاد حل للحالة الخاصة المتمثلة في انتقال المعدن إلى حالة مضادة للمغناطيسية الحديدية (التي يقترب منها الانتقال إلى حالة فائقة التوصيل) تحدث الحالة أيضًا). يتعامل النموذج بنجاح مع "مشكلة الإشارة" من خلال التأكد من أن جميع شروط المجموع على مسارات الجسيمات إيجابية. وبالتالي تظل مشكلة جمع كمية كبيرة جدًا من الأرقام الموجبة دون "مشكلة الإشارة" قائمة. ويستخدم العلماء "طريقة مونت كارلو" على هذا الكم من الأرقام، وبالتالي يصلون إلى النتيجة المرجوة.

أنتجت التجارب الحاسوبية التي أجريت باستخدام هذا النموذج نتائج تتوافق مع مختلف الظواهر الفيزيائية المعروفة. ويأمل الدكتور بيرج في المستقبل أن يخطط لتجارب معملية تختبر النموذج على أرض الواقع.

شخصي
ولد إيريز بيرج في حيفا. شارك وهو طفل في أولمبياد الفيزياء الدولي، وعاد منه بالميدالية الفضية. بعد خدمته العسكرية، درس في برنامج الشرف في التخنيون، وكتب درجة الدكتوراه في جامعة ستانفورد، وأجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد. وفي عام 2011 انضم إلى هيئة التدريس في قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم. وهو متزوج من بار، وهي طالبة دكتوراه في علوم الكمبيوتر في جامعة بار إيلان. في ساعات فراغه ستجده، من بين أمور أخرى، في صالة الألعاب الرياضية وفي سينما "تشن".

علامة على أنك فائق التوصيل (عند درجة حرارة عالية)