ماذا لو ... حصلنا على موصلات فائقة عالية الحرارة؟ ارتباطات الأمل
خطوط نقل بدون فقدان، والهندسة الكهربائية ذات درجات الحرارة المنخفضة، والمغناطيسات الكهربائية الفائقة، وأخيراً ضغط بلطف ملايين الدرجات من البلازما في المفاعلات النووية الحرارية، وسكة حديد ماجليف هادئة وسريعة. لدينا الكثير من الآمال في الموصلات الفائقة ...
الموصلية الفائقة تسمى الحالة المادية للمقاومة الكهربائية صفر. ويتحقق ذلك في بعض المواد عند درجات حرارة منخفضة للغاية. اكتشف هذه الظاهرة الكمومية كاميرلينج أونز (1) في الزئبق عام 1911. فشلت الفيزياء الكلاسيكية في وصفه. بالإضافة إلى المقاومة الصفرية، هناك ميزة أخرى مهمة للموصلات الفائقة دفع المجال المغناطيسي خارج حجمهما يسمى بتأثير مايسنر (في الموصلات الفائقة من النوع الأول) أو تركيز المجال المغناطيسي في "الدوامات" (في الموصلات الفائقة من النوع الثاني).
تعمل معظم الموصلات الفائقة فقط عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. يُقال أنها 0 كلفن (-273,15 درجة مئوية). حركة الذرات في درجة الحرارة هذه يكاد يكون معدوما. هذا هو مفتاح الموصلات الفائقة. كل عادة الإلكترونات تتحرك في الموصل تصطدم بذرات أخرى مهتزة مما يسبب فقدان الطاقة والمقاومة. ومع ذلك، نحن نعلم أن الموصلية الفائقة ممكنة في درجات حرارة أعلى. تدريجيًا، نكتشف المواد التي تظهر هذا التأثير عند درجة حرارة أقل من سالب مئوية، ومؤخرًا حتى عند درجة حرارة زائد. ومع ذلك، عادة ما يرتبط هذا مرة أخرى بتطبيق ضغط مرتفع للغاية. الحلم الأكبر هو إنشاء هذه التكنولوجيا في درجة حرارة الغرفة دون ضغط هائل.
الأساس المادي لظهور حالة الموصلية الفائقة هو تشكيل أزواج من خاطفي البضائع - ما يسمى ب كوبر. يمكن أن تنشأ مثل هذه الأزواج نتيجة اتحاد إلكترونين لهما طاقات مماثلة. طاقة فيرمي، أي. أصغر طاقة تزداد بها طاقة النظام الفرميوني بعد إضافة عنصر آخر، حتى عندما تكون طاقة التفاعل بينهما صغيرة جدًا. يؤدي هذا إلى تغيير الخواص الكهربائية للمادة، حيث أن الحاملات الفردية هي فرميونات والأزواج هي بوزونات.
تعاون لذلك فهو عبارة عن نظام مكون من فرميونات (على سبيل المثال، الإلكترونات) تتفاعل مع بعضها البعض من خلال اهتزازات الشبكة البلورية، والتي تسمى الفونونات. وقد تم وصف هذه الظاهرة ليونا تتعاون في عام 1956 وهو جزء من نظرية BCS للموصلية الفائقة في درجات الحرارة المنخفضة. تحتوي الفرميونات التي يتكون منها زوج كوبر على نصف دوران (موجه في اتجاهين متعاكسين)، ولكن الدوران الناتج للنظام ممتلئ، أي أن زوج كوبر هو بوزون.
الموصلية الفائقة عند درجات حرارة معينة هي بعض العناصر، مثل الكادميوم والقصدير والألومنيوم والإيريديوم والبلاتين، والبعض الآخر يمر إلى حالة الموصلية الفائقة فقط عند ضغط مرتفع جدًا (مثل الأكسجين والفوسفور والكبريت والجرمانيوم والليثيوم) أو في على شكل طبقات رقيقة (التنغستن، والبريليوم، والكروم)، وبعضها قد لا يكون بعد فائق التوصيل، مثل الفضة والنحاس والذهب والغازات النبيلة والهيدروجين، على الرغم من أن الذهب والفضة والنحاس من أفضل الموصلات في درجة حرارة الغرفة.
"درجة الحرارة المرتفعة" لا تزال تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية
في 1964 العام وليام أ. ليتل اقترح إمكانية وجود الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية في البوليمرات العضوية. يعتمد هذا الاقتراح على الاقتران الإلكتروني بوساطة الإكسيتون بدلاً من الاقتران بوساطة الفونون في نظرية BCS. تم استخدام مصطلح "الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية" لوصف عائلة جديدة من سيراميك البيروفسكايت التي اكتشفها يوهانس ج. بيدنورز وسي.أ. مولر عام 1986، وحصلا عليه على جائزة نوبل. صُنعت هذه الموصلات الفائقة الخزفية الجديدة (2) من النحاس والأكسجين الممزوج بعناصر أخرى مثل اللانثانم والباريوم والبزموت.
2. لوح سيراميكي يحوم فوق مغناطيس قوي
من وجهة نظرنا، كانت الموصلية الفائقة "في درجات الحرارة المرتفعة" لا تزال منخفضة للغاية. بالنسبة للضغوط العادية، كان الحد الأقصى هو -140 درجة مئوية، وحتى هذه الموصلات الفائقة كانت تسمى "درجة الحرارة المرتفعة". تم الوصول إلى درجة حرارة الموصلية الفائقة البالغة -70 درجة مئوية لكبريتيد الهيدروجين عند ضغوط عالية للغاية. ومع ذلك، تتطلب الموصلات الفائقة عالية الحرارة نيتروجينًا سائلًا رخيصًا نسبيًا بدلًا من الهيليوم السائل للتبريد، وهو أمر ضروري.
من ناحية أخرى، فهو في الغالب سيراميك هش، وهو غير عملي جدًا للاستخدام في الأنظمة الكهربائية.
ولا يزال العلماء يعتقدون أن هناك خيارًا أفضل ينتظر اكتشافه، وهو مادة جديدة رائعة ستفي بمعايير مثل الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفةبأسعار معقولة وعملية للاستخدام. ركزت بعض الأبحاث على النحاس، وهو بلورة معقدة تحتوي على طبقات من ذرات النحاس والأكسجين. تستمر الأبحاث في بعض التقارير الشاذة ولكن التي لا يمكن تفسيرها علميًا والتي تفيد بأن الجرافيت المنقوع في الماء يمكن أن يعمل كموصل فائق في درجة حرارة الغرفة.
كانت السنوات الأخيرة بمثابة تيار حقيقي من "الثورات" و"الاكتشافات" و"الفصول الجديدة" في مجال الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة. في أكتوبر 2020، تم الإبلاغ عن الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة (عند 15 درجة مئوية). هيدريد ثاني كبريتيد الكربون (3)، ومع ذلك، عند ضغط مرتفع جدًا (267 جيجا باسكال) الناتج عن الليزر الأخضر. ولم يتم بعد العثور على الكأس المقدسة، والتي ستكون مادة رخيصة نسبيًا وذات موصلية فائقة في درجة حرارة الغرفة والضغط الطبيعي.
3. مادة كربونية فائقة التوصيل عند درجة حرارة 15 درجة مئوية.
فجر العصر المغناطيسي
يمكن أن يبدأ تعداد التطبيقات الممكنة للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية بالإلكترونيات وتكنولوجيا الكمبيوتر، والأجهزة المنطقية، وعناصر الذاكرة، والمفاتيح والوصلات، والمولدات، ومكبرات الصوت، ومسرعات الجسيمات. التالي في القائمة: أجهزة حساسة للغاية لقياس المجالات المغناطيسية أو الفولتية أو التيارات، والمغناطيس الأجهزة الطبية للتصوير بالرنين المغناطيسيوأجهزة تخزين الطاقة المغناطيسية والقطارات السريعة والمحركات والمولدات والمحولات وخطوط الكهرباء. تتمثل المزايا الرئيسية لهذه الأجهزة فائقة التوصيل التي تحلم بها في تبديد الطاقة المنخفض والتشغيل عالي السرعة و حساسية شديدة.
للموصلات الفائقة. هناك سبب لبناء محطات توليد الطاقة بالقرب من المدن المزدحمة. وحتى 30 في المئة. تم إنشاؤها من قبلهم الطاقة الكهربائية وقد يضيع على خطوط النقل. هذه مشكلة شائعة في الأجهزة الكهربائية. معظم الطاقة تذهب للحرارة. ولذلك، يتم حجز جزء كبير من سطح الكمبيوتر لأجزاء التبريد التي تساعد على تبديد الحرارة الناتجة عن الدوائر.
الموصلات الفائقة تحل مشكلة فقدان الطاقة للحرارة. وكجزء من التجارب، يتمكن العلماء، على سبيل المثال، من كسب لقمة العيش التيار الكهربائي داخل الحلقة فائقة التوصيل لمدة تزيد عن العامين. وهذا بدون طاقة إضافية.
السبب الوحيد لتوقف التيار هو عدم إمكانية الوصول إلى الهيليوم السائل، وليس لأن التيار لا يمكنه الاستمرار في التدفق. تقودنا تجاربنا إلى الاعتقاد بأن التيارات في المواد فائقة التوصيل يمكن أن تتدفق لمئات الآلاف من السنين، إن لم يكن أكثر. يمكن للتيار الكهربائي في الموصلات الفائقة أن يتدفق إلى الأبد، وينقل الطاقة مجانًا.
в لا مقاومة يمكن أن يتدفق تيار ضخم عبر السلك فائق التوصيل، والذي بدوره يولد مجالات مغناطيسية ذات قوة لا تصدق. يمكن استخدامها لرفع قطارات ماجليف (4)، والتي يمكن أن تصل سرعتها بالفعل إلى 600 كم/ساعة وتعتمد على مغناطيس فائق التوصيل. أو استخدامها في محطات توليد الطاقة، لتحل محل الطرق التقليدية التي تدور فيها التوربينات في المجالات المغناطيسية لتوليد الكهرباء. يمكن أن تساعد المغناطيسات فائقة التوصيل القوية في التحكم في تفاعل الاندماج. يمكن للسلك فائق التوصيل أن يعمل كجهاز مثالي لتخزين الطاقة، بدلاً من البطارية، وسيتم الحفاظ على إمكانات النظام لألف ومليون سنة.
في الحواسيب الكمومية، يمكنك التدفق في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة في موصل فائق. وستكون محركات السفن والسيارات أصغر بعشر مرات مما هي عليه اليوم، كما أن أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي التشخيصية الطبية الباهظة الثمن ستتسع في راحة يدك. يتم جمع الطاقة الشمسية من المزارع في الصحاري الشاسعة حول العالم، ويمكن تخزينها ونقلها دون أي خسارة.
4. قطار ماجليف الياباني
وفقًا للفيزيائي الشهير ومروج العلوم، كاكوسوف تبشر تقنيات مثل الموصلات الفائقة بعصر جديد. إذا كنا لا نزال نعيش في عصر الكهرباء، فإن الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة ستجلب معها عصر المغناطيسية.
