تعمل الموصلات الفائقة القائمة على النحاس، والعائلة الجديدة القائمة على الحديد، في نطاق درجات حرارة أوسع من معظم الموصلات الفائقة التي تكون فعالة فقط بالقرب من الصفر المطلق.
"بما أن النتائج الجديدة مشابهة لتلك التي اكتشفناها في الحالة الأصلية للموصلات الفائقة القائمة على النحاس، فإن هذا يشير إلى أن هذا قد يكون سمة مشتركة لآلية عامة للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية في هذين النوعين المختلفين تمامًا من المواد"، يوضح ذلك. الباحث الرئيسي جي سي سيموس ديفيس، أستاذ العلوم والفيزياء في جامعة كورنيل. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية المرموقة Science.
توقع العديد من المنظرين أن المواد ذات الأساس الحديدي سوف تتصرف بشكل مشابه للموصلات المعدنية الفائقة، حيث تتزاوج الإلكترونات لتوصيل الكهرباء دون مقاومة دون الحاجة إلى ترتيب خاص للذرات الموجودة في المادة. تقوم هذه المواد بتوصيل الكهرباء دون أي مقاومة فقط عند درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق (ناقص 270 درجة مئوية).
تعمل الموصلات الفائقة النحاسية، أو القائمة على النحاس، والعائلة الجديدة المعتمدة على الحديد، في نطاق درجة حرارة أوسع - يصل إلى 120 درجة مئوية تحت الصفر لعائلة النحاس وما يصل إلى 220 درجة مئوية تحت الصفر لعائلة الحديد، لذا فهي أكثر مفيدة للتشغيل على نطاق واسع، لمزيد من التطبيقات العملية مثل الموصلات الكهربائية المقاومة.
النحاسات هي أكاسيد النحاس التي تحتوي على "شوائب" من مجموعة متنوعة من الذرات الأخرى. الموصلات الفائقة القائمة على الحديد - والتي تم عرضها لأول مرة فقط في عام 2008 - هي مركبات "ملوثة" من الحديد والزرنيخ. بطريقة ما، يؤدي التلوث إلى تشويه البنية البلورية للمادة بطريقة تسمح للإلكترونات بالتحرك دون أي مقاومة. إن فهم هذه الآلية يمكن أن يفتح نافذة لتطوير الموصلات الفائقة في درجات حرارة أعلى، وعلى النحو الأمثل، في درجة حرارة الغرفة.
استخدم العلماء مجهر مسح نفقي خاص (STM) يتحرك فيه كاشف صغير فوق سطح على فترات أصغر من قطر الذرة الواحدة. ومن خلال تغيير التيار بين الكاشف والسطح بشكل متعمد، يمكن قياس مستويات الطاقة المختلفة للإلكترونات الموجودة في المادة باستخدام الجهاز وبالتالي الحصول على صورة توزيع الإلكترونات الموجودة فيها.
وقام الباحثون بفحص عينات من مركبات الكالسيوم والحديد والكوبالت والزرنيخ التي تصبح موصلات فائقة عندما تزيد كمية الكوبالت فيها. وعندما اختبروا المادة الخاصة، حصلوا على نتائج غير متوقعة على الإطلاق. اكتشفوا مجموعة نانوية ثابتة من الإلكترونات تمتد مسافة أكبر بثماني مرات بين ذرات الحديد الفردية، وكلها مرتبة حول محور واحد للبلورة، مما يذكرهم بالطريقة التي يتم بها تنظيم الجزيئات الفردية في البلورة السائلة.
البلورات السائلة، المستخدمة في شاشات العرض الإلكترونية، هي نوع من الحالة المتوسطة بين السائل والصلب، حيث يتم ترتيب الجزيئات في صفوف متوازية، وفي هذه المواد يمكن التحكم في كمية الضوء الذي يمر عبرها واتجاهه. وفي البلورات الصلبة التي تشكل مواد مثل الموصلات الفائقة عند درجة حرارة عالية، لا تقتصر الإلكترونات على ذرات فردية، بل تتصرف كالسائل، وهنا يقول الباحث الرئيسي، يبدو أن الإلكترونات موجودة في حالة مشابهة للبلورة السائلة . يقول الباحث الرئيسي: "لا يمكنك استخدام فيزياء الحالة المكثفة العادية لفهم مثل هذه المواد المعقدة".
بالإضافة إلى ذلك، اكتشف الباحثون أن الإلكترونات الحرة تتحرك داخل المادة في اتجاه موازٍ لاتجاه الإلكترونات الموجودة في البلورات السائلة. وتشير هذه النتيجة إلى أن الإلكترونات التي تحمل التيار تختلف عن تلك الموجودة في البلورات السائلة.
ستكون الخطوة التالية في البحث هي دراسة كيفية تأثير هذه الظروف على موصلية المادة عندما تبدأ في التحول إلى موصل فائق. وتتشابه النتائج بشكل مدهش مع تلك التي اكتشفها الباحثون في كوبراتس. "إذا تمكنا من موازنة النتائج التي توصلنا إليها فيما يتعلق بالموصلات الفائقة القائمة على الحديد مع تلك الخاصة بالموصلات الفائقة القائمة على النحاس، فقد يساعدنا ذلك في فهم الآلية العامة التي تحكم التوصيلية العالية لدرجة الحرارة لجميع المواد من هذا النوع. ونتيجة لذلك، يمكن لهذا الفهم أن يساعدنا في تطوير مواد جديدة ذات خصائص موصلية فائقة محسنة لتطبيقات الطاقة".
