تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هيَ الموصلية الفائقة؟

الموصلية (أو الناقلية) الفائقة هيَ قدرة بعض المواد على توصيل التيار الكهربائي المُستمر بمقاومةٍ مَعدومة، وقد لُوحظت هذهِ الظاهرة منذُ عام 1911 من قبل كامرلينج أونز، الذي كانَ طالباً يعملُ معَ العالم الهولندي الشهير كامرلينج أونيس.

كان كامرلينج-أونيس رائداً في العمل على درجات الحرارة المنخفضةِ جداً والأعلى ببضعِ درجاتٍ فقط منَ الصفر المُطلق، حيثُ اكتشفَ هذا العالم مَجالاً جديداً للعلم، وهوَ مجال فيزياء درجات الحرارة المُنخفضة، وبدأ معَ طلابهِ بالعمل على دراسة مُختلف خصائص المواد عندما تكون شديدة البرودة.

عندما كانَ طالبهُ كامرلينج أونز يدرسُ المقاومة الكهربائية للأسلاك، وجدَ أنَّه عندما قامَ بتبريد سلك الزئبق، انخفضت المقاومة الكهربائية للسلك بشكلٍ حادٍّ عندما وصلت إلى حوالي 3.6 درجة فوقَ الصفر المُطلق، إذ وجدَ بأنَّ الانخفاض كانَ كبيراً جداً، حيثُ أصبحت المقاومة الكهربائية أقل بعشرين ألف مرَّة على الأقل.

وحدثَ هذا الانخفاض خلال فترةٍ صغيرةٍ جداً، بحيثُ لم يتمكنوا من قياسها، إذ يُمكنُ القول بأنَّ المقاومة الكهربائية اختفت تماماً. ولاختبار الاختفاء التام للمقاومة الكهربائية، أخذَ كامرلينج أونز دارةً كهربائيةً مُغلقةً مُكونةً من سلكٍ من الزئبق، ومرّر فيها تياراً كهربائياً، فكانَ منَ المتوقّع أن تؤدي المقاومة الكهربائية إلى خمود التيار بسرعة، مثلما يتسبّبُ الاحتكاك ومقاومة الهواء في توقُّف دراجةٍ تَسيرُ على طريقٍ مستوٍ، فوجدَ بإنَّ التيار يَستمرُ في المرور بالدارة طالما ظلَّ السلك بارداً.

إنَّ استمرار التيار الكهربائي في الدائرة هوَ نوعٌ من أنواع الحركة الدائمة، وكانت الصورةُ العامة التي كانت لدى العلماء هيَ أنَّ المقاومة الكهربائية تنشأ بسبب اصطدام الإلكترونات المُتحركة بذرات المعدن، مما يؤدي إلى تباطؤها، وبالتالي على الرغم من إعطاء الإلكترونات حركةً أوليةً من خلال البلورة، إلا أنَّ هذهِ الحركة لا تستمر، والحقيقة هي أنَّه عندَ درجة حرارةٍ مُعينة، تدخلُ العديد منَ المعادن إلى حالةٍ جديدةٍ من المادة، وهي حالة التوصيل الفائق.

ظلَّت الموصلية الفائقة لغزاً مُحيرّاً لعقودٍ منَ الزمن، حاولَ العديد من أعظم علماء العالم حلّ لغز هذهِ الحركة الدائمة، ولكن دونَ جدوى، وبالرغمِ من اكتشاف الموصلية الفائقة في وقتٍ مُبكر من عام 1911، إلا أنَّ تفسيرها لم يأت إلَّا عام 1957 عندما افترضَ باردين وشرايفر وكوبر تفسيراً مُرضياً للآليّة المجهرية وراءَ هذهِ الظاهرة. وفي عام 1972 حصلَ هؤلاء العلماء على جائزة نوبل في الفيزياء لنظريتهم في الموصلية الفائقة. ^{[1] [2] [3]}

كيفَ تعملُ الموصلية الفائقة؟

عندما يتمُّ تبريد العناصر والمركبات الموصلة ذات الخصائص الكهرومغناطيسية إلى درجات حرارةٍ مُنخفضة، فإنَّها تُظهرُ خاصيتين مُهمّتين هما: أنَّها لا تبدي أيَّة مُقاومةٍ للتيار الكهربائي، كما أنَّها تولِّد مجالاً مغناطيسياً لا تُفسِّر الفيزياء التقليدية حالة التوصيل الفائق بشكلٍ كافٍ، ولا حتى نظرية الكم للحالة الصلبة التي تُعالج سلوك الإلكترونات بشكلٍ منفصلٍ عن سلوك الأيونات في الشبكة البلورية.

لذا ظل تفسيرُ ظاهرةِ الموصلية الفائقة لغزاً مُحيّراً للعلماء حتى عام 1957، حيثُ قامَ ثلاثة باحثين أمريكيين، وهم جون باردين، وليون كوبر، وجون شريفر بتأسيس نظريةٍ للموصلية الفائقة، ووفقاً لنظريتهم “BCS” تتجمَّع الإلكترونات في أزواجٍ من خلال التفاعل معَ اهتزازات الشبكة (ما يُسمّى بالفونونات) لتُشكِّل أزواج تُسمّى “أزواج كوبر”، والتي تتحرَّك داخل المادة الصلبة دونَ احتكاك.

لذا يُمكنُ التعاملُ معَ المادة الصلبة على أنَّها شبكةٌ منَ الأيونات الموجبة مَغمورةٌ في سحابةٍ منَ الإلكترونات، فعندها يمرُّ الإلكترون عبرَ هذهِ الشبكة بدون احتكاك، وتتحرَّك الأيونات بسبب جذبها لشحنة الإلكترون السالبة، فتولِّد مَنطقةً موجبةً كهربائياً، والتي بدورها تجذبُ إلكتروناً آخر. يُمكنُ إنهاء حالة التوصيل الفائق عن طريق رفع درجة الحرارة أو عن طريق المَجال المغناطيسي المُطبَّق، والذي يخترقُ بعدَ ذلكَ المادة، مما يُسبّبُ كسر أزواج كوبر، وعندها يحدثُ ما يُسمّى بتأثير مايسنر، نسبةً إلى الفيزيائي الذي لاحظها لأوَّل مرَّة في عام 1933.

وهنا يتمُّ التمييز بينَ نوعين من الموصلات الفائقة، وهما: النوع الأول، وهوَ حالة التوصيل الفائق ضمنَ المجالات المغناطيسية المُطبَّقة الضعيفة نسبياً، وفوقَ عتبة مُعينة “حرجة”، إذ يَخترقُ المجال فجأةً داخل المادة، مما يؤدي إلى تَحطيم حالة التوصيل الفائق.

على العكس من ذلك تتحمَّل الموصلات الفائقة منَ النوع الثاني الاختراق للمجال المغناطيسي، مما يُمكّنها منَ الحفاظ على خصائص التوصيل الفائق في وجود مجالاتٍ مغناطيسية مُطبقة مُكثفة، لذا أتاحت الموصلات الفائقة منَ النوع الثاني إمكانية استخدام الموصلية الفائقة في المجالات المغناطيسية العالية، والذي أدى إلى تطوير المغناطيس الفائق التوصيل لمُسرّعات الجسيمات. ^{[3] [4] [5]}

ما الفرق بينَ العازل والموصل الفائق؟

تَعملُ الموصلات الكهربائية كحاملاتٍ للإلكترونات التي تنتقلُ من ذرةٍ إلى أخرى عندَ تطبيق الجهد الكهربي عليها، إلَّا أنَّ هذهِ الموصلات تُبدي مقاومةً كهربائيةً عندَ مرور التيار الكهربائي فيها، وتُعتبر مُعظم المعادن موصلةً جيدةً للتيار الكهربائي. على العكس من ذلك، فإنَّ المواد غير المعدنية، مثل: الخشب لا تقومُ بتوصيل التيار الكهربائي، وبالتالي يُمكن استخدامها كعوازل.

تتميَّز الموصلات الفائقة بعدم وجود أي نوعٍ منَ المقاومة لتدفُّق الإلكترونات، إلّا أنَّ هذهِ المواد تحتاج لتبريد المادة الموصلة إلى درجات حرارةٍ منخفضةٍ جداً (حوالي -253 درجةٍ مئوية)، وذلكَ لإخفاء أيَّة مُقاومة. تُسمّى درجة الحرارة الحرجة للتبريد الفائق بدرجة الحرارة الانتقالية، وتَختلفُ هذهِ الدرجة حسبَ المواد الموصلة المُستخدمة، وعندَ تسخين المعدن أعلى قليلًا من درجة الصفر المُطلق، فإنَّ الإلكترونات تكتسبُ طاقةً، وتقفزُ إلى سويةٍ طاقيةٍ أعلى، فإذا كانت هذهِ السوية الأعلى منها مُمتلئةً “مَشغولة” بالإلكترونات، فإنَّ مبدأ باولي لا يَسمحُ لهذا الإلكترون بالانتقال لهذهِ السويّة.

أمَّا في حال الإلكترون الأخير، يكون الأمر مُختلفاً، فإذا سخَّنا المَعدن، فإنَّ هذا الإلكترون الأخير يُمكنه الخروج منَ الذرة، ويُصبح حراً، وهذا هوَ سبب كون المعادن ناقلةً للتيار الكهربائي، وعندما يكون الإلكترون الأخير يَمتلك طاقة ارتباطٍ كبيرةٍ بالذرة، فإنَّه لا يترك الذرة، ويبقى مُرتبطاً بها، وفي هذهِ الحالة تكون المادة عازلة، ولا تنقل التيار الكهربائي. ^[6]

تطبيقات الموصلية الفائقة

للموصلية الفائقة العديد منَ التطبيقات، سنذكر أهمّها: ^{[7] [8] [9]}

1- نقل الطاقة

إنَّ أحد التطبيقات الأكثر استخداماً للموصلات الفائقة هوَ استغلال مُقاومتها الصفرية في صنعِ أسلاكٍ تحمل تياراتٍ كهربائيةٍ لنقل الطاقة، إذ تفقد خطوط نقل الطاقة الكهربائية حوالي 5 بالمئة من طاقتها بسبب التسخين بفعل جول، وبالنظر للكمية الهائلة منَ الطاقة التي يتمُّ نقلها، فإنَّ هذا يعادل هدراً كبيراً للطاقة.

منَ الواضح بأنَّ هذهِ التكنولوجيا لم تُطبَّق بعد، إذ لا توجد أسلاك فائقة التوصيل لنقل الطاقة على نطاقٍ تجاري، وذلكَ لكون السلك فائق التوصيل المُستخدم يجب أن يتمتَّع بالقدرة على التعامل معَ كثافاتٍ للتيار كبيرةً جداً. كما يجبُ أخذ الخصائص الميكانيكية للمادة في الاعتبار عندَ تصميم السلك لضمان مُرونته بدرجةٍ كافيةٍ لاستخدامهُ كبديلٍ للأسلاك النحاسية التقليدية.

حالياً، إنَّ تكلفة تصنيع الأسلاك فائقة التوصيل، بالإضافة إلى التكلفة للحفاظ على درجات حرارة الهيليوم السائل تعوقُ استخدام أسلاك الموصلات الفائقة في نقل الطاقة تجارياً.

2- المغناطيس فائق التوصيل

أحد أنجحَ تطبيقات الموصلات الفائقة هو إنتاج مجالاتٍ مغناطيسيةٍ كبيرةٍ جداً، حيثُ يتمُّ لفُّ الأسلاك فائقة التوصيل ضمنَ ملف، ثمَّ يتمُّ تمرير تيارٍ كهربائيٍ عالٍ على طول السلك لإنتاج شدة مجال مغناطيسي عالية جداً. إنَّ أحد أهمّ استخدامات هذهِ المغانط فائقة التوصيل هوَ في مُصادمات الجسيمات المُستخدمة لاستكشاف المكونات الأساسية للمادة، حيثُ يتمُّ استخدامها لإبقاء الجسيمات المَشحونة عالية السرعة ضمنَ مسارٍ مُحددٍ، والسماحُ لها بالتسارع باستمرار.

كما تُستخدم أيضاً المغناطيسات فائقة التوصيل، والعالية القوة في أبحاث الاندماج النووي، وذلكَ من أجل احتواء البلازما، إذ لا يمكنُ احتواء البلازما الساخنة جداً َفي المواد التقليدية المَعروفة، لذا يجبُ رفعها وتَغليفها باستخدام مغناطيسات ٍعالية القوة. هناكَ تطبيقٌ آخر قيد الاستخدام حالياً يَستخدم الموصلات الفائقة التوصيل لإنتاج مجالاتٍ مغناطيسيةٍ، وهوَ قطارات الارتفاع المغناطيسي (Maglev)، حيثُ طُبِّقت هذهِ التكنولوجيا المُتقدِّمة في كلٍّ من ألمانيا واليابان.

3- التصوير بالرنين المغناطيسي

إنَّ أحد أهمّ التطبيقات التي تتطلبُ مجالاً مغناطيسياً كبيراً جداً هوَ التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، والذي يَظهرُ في الشكل أسفل، وتُستخدم هذهِ التقنية المجال المغناطيسي الكبير لقياس فاعلية الدماغ، وذلكَ بالكشفِ عن التغيرات المُلازمة لتدفُّق الدم نحوَ باحاته المُختلفة، وذلكَ نتيجةً لاقترانها بالفاعلية العصبونية، فعندما تنشطُ باحة مُعينة في الدماغ يزدادُ تدفُّق الدمِ إليها.

يُطبَّق في هذهِ الطريقة حقل مغناطيسي شديد على منطقة الدماغ بحيثُ تكونُ لهُ قيمة ثابتة، وذلكَ لتوجيه نَوى ذرات الهيدروجين باتجاهٍ مُحدّد، ثُمَّ يُطبَّق حقلٌ آخر مُتدرّجٌ لإثارة هذهِ النَوى إلى مُستوىٍ طاقيٍ أعلى، وعندَ إزالة هذا الحقل المغناطيسي تَعودُ النَوى إلى حالتها الأولى بإطلاق إشعاعٍ كهرطيسي يُمكنُ قياسهُ.

لذا يُمكنُ تصوير مقاطع عرضية ثنائية الأبعاد في بيئاتٍ كيميائيةٍ مُختلفةٍ كون الجسم يحتوي على العديد من ذرات الهيدروجين الموجودة في الماء، لذا فإنَّ الأنسجة المُختلفة في الجسم تعُطي إشاراتٍ مُختلفة، مما يُمكِّنُ من بناء هذهِ الشرائح ثنائية الأبعاد لتكوين صورٍ كاملةٍ لمنطقة الجسم التي يتمُّ تصويرها.

4- التطبيقات الإلكترونية

بدأت الإلكترونيات الدقيقة بالنمو بشكلٍ سريع، فمن أجل تسريع قوَّة الحوسبة في هذهِ الدارات الإلكترونية، يُمكن تقصير طول الوصلات بينَ مُختلف مكونات الدارة الرقمية، إلّا أنَّ هذا يَخلقُ المَزيدَ من مَشاكل التسخين بسبب كثافة التيارات العالية التي يجبُ استخدامها، لذا يُمكنُ استخدام الأسلاك فائقة التوصيل لإزالة التَسخين المُقاوم بفعل جول، وبالتالي المُساعدة في حل هذهِ المشكلة.

تُعتبرُ التكنولوجيا الحالية القائمة على السيليكون مَحدودةً أيضاً بالسرعة التي يُمكن بها للترانزستورات التبديل بينَ حالتيها، وهما 0 و1. يُمكن إنشاء الوصلات فائقة التوصيل من خلال استغلال ظاهرةٍ تُعرف باسم تأثير جوزيفسون (Josephson effect)، والتي تسمحُ بسرعات تحويلٍ أكبر بكثير، ويُمكنُ أن تزيد بشكلٍ كبيرٍ من سرعات مُعالجة الكمبيوتر.

يتمُّ استغلال تأثير جوزيفسون أيضاً في صنع أجهزةِ التشابك الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs). تسمحُ هذهِ الأجهزة بقياس مجالاتٍ مغناطيسيةٍ صغيرةٍ بشكلٍ كبير، وهيَ حساسةٌ للغاية، بحيثُ يُمكنها قياس المجالات المغناطيسية الصغيرة التي تنتجها التيارات التي تتدفّقُ على طول النبضات العصبية، وهذا يَسمحُ بتقنيةٍ جديدةٍ قويّة في الأبحاث العصبية، وخصوصاً في الدماغ.

معَ اكتشاف المَزيد منَ الموصلات الفائقة، تمَّ استخدامها في مجموعةٍ واسعةٍ منَ التطبيقات تَشملُ رقائق الكمبيوتر فائقة السرعة، ورقائق الذاكرة الرقمية عالية السعة، وأنظمة تخزين الطاقة البديلة، ومرشحات التردّدات الراديوية، ومُكبّرات التردُّدات الراديوية، وحسّاسات الضوء المَرئي، وكاشفات الأشعة تحت الحمراء، وهوائيات الإرسال اللاسلكية، وأنظمة الكشف عن الغواصات والألغام تحتَ الماء، والجيروسكوبات للأقمار الصناعية التي تدورُ حول الأرض.

ستستمرُ تطبيقات النواقل الفائقة في النمو من حيثُ العدد والتعقيد، وفي الوقت الحالي، يواصلُ العلماء صراعهم لجعل الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية مُمكنة، وهذا سيساعد في تَصميم موادٍ جديدةٍ فائقة التوصيل للتطبيقات المُتقدمة في مجال الطاقة الكهربائية، بما أنَّ تكلفة التبريد الفائق يُمكن أن يكون باهظ الثمن، لذا فإنَّ الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية ستكونُ أكثرُ فائدةً من الناحية الاقتصادية.