موصلية فائقة
موصلية فائقة أو التوصيل الفائق إنگليزية: Superconductivity، هو مجموعة من الخواص الفيزيائية الملاحظة في بعض المواد، حيث تختفي المقاومة الكهربائية وتُطرد حقول التدفق المغناطيسي من المادة. أي مادة تظهر هذه الخواص يعتبر موصلاً فائقاً أي يتمتع بـ موصلية فائقة. بخلاف الموصل المعدني العادي، الذي تتناقص مقاومته تدريجياً عندما ينخفض درجة حرارته، حتى تقترب من الصفر المطلق، يكون للموصل الفائق درجة حرارة حرجة تحتها تنخفض المقاومة فجأة إلى الصفر. [1] [2]يمكن أن يمر تيار كهربائي عبر حلقة سلك فائق التوصيل يمكن أن يستمر إلى ما لا نهاية دون مصدر طاقة.[3][4][5][6]
| كهرومغناطيسية | ||||||||||
| ||||||||||
كهرباء • مغناطيسية
| ||||||||||
اكتُشفت ظاهرة التوصيل الفائق (موصلية فائقة) في عام 1911 على يد الفيزيائي الهولندي هايكه كامرلنغ أونس. مثل مغناطيسية حديدية وخطوط الطيف الذري، يعد التوصيل الفائق (موصلية فائقة) ظاهرة يمكن تفسيرها فقط من خلال الميكانيكا الكمية. تتميز بتأثير مايسنر (Meissner)، وهو طرد كامل لخطوط الحقل المغناطيسي من داخل الموصل الفائق أثناء تحوله إلى الحالة الفائقة. يشير حدوث تأثير مايسنر إلى أن التوصيل الفائق أو المثالي لا يمكن فهمه ببساطة على أنه أمثلية للتوصيل المثالي في الفيزياء الكلاسيكية.
في عام 1986، تم اكتشاف أن بعض المواد السيراميكية بنية البيروفسكيت المعروفة باسم الكوبريت تمتلك درجة حرارة حرجة تتجاوز 90 K (−183 °C).[7] تعتبر هذه الدرجة العالية للتحول نظرياً مستحيلة للتوصيل الفائق التقليدي، مما يؤدي إلى تسمية هذه المواد ذات موصلية فائقة ذات درجات حرارة عالية. يغلي النيتروجين السائل المبرد المتاح بأسعار معقولة عند 77 كلفن، وبالتالي فإن وجود التوصيل الفائق في درجات حرارة أعلى من ذلك يسهل العديد من التجارب والتطبيقات التي تكون أقل عملية عند درجات حرارة أقل.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
تعريف
موصلية فائقة، هي عملية توصيل الحرارة بوساطة بعض الفلزات والسبائك والخزف دون مقاومة. ويحدث التوصيل الفائق في الفلزات والسبائك في درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق وهي -273,15°م. ويُصبح كل من الرصاص والزئبق والصفيح فائق التوصيل في هذه الدرجة. وتصبح بعض أنواع الخزف مُوَصِّلات فائقة عند درجة حرارة قد تصل إلى -138°م. انظر: الصفر المطلق.
التصنيف
هناك العديد من المعايير التي يتم من خلالها تصنيف المواد ذات موصلية فائقة. ومن بين أكثر المعايير شيوعاً:
الاستجابة للمجال المغناطيسي
يمكن أن يكون الموصل الفائق من النوع I، مما يعني أنه يتم فقدان جميع خواص الفائقية فوق قيمة حقل حرجة واحدة، وأن الحقل المغناطيسي يتم طرده تماماً من الموصل الفائق تحت هذه القيمة. أو يمكن أن يكون من النوع II، مما يعني أنه يتمتع بقيمتي حقل حرجة، حيث يسمح بتسرب جزئي للحقل المغناطيسي من خلال نقاط منفصلة،[8]وتسمى هذه النقاط بالدوامات.[9]علاوة على ذلك، في المواد ذات موصلية فائقة متعددة المكونات، يمكن أن يكون هناك تركيبة من السلوكين المذكورين. في هذه الحالة، يتم تصنيف الموصل الفائق كنوع-1.5.[10]
حسب نظرية التشغيل
تكون المادة ذات موصلية فائقة تقليدية إذا كان بإمكان تفسيرها بواسطة نظرية BCS (باردين-كوبر- شريفر) أو مشتقاتها، وغير تقليدي في حالة عدم إمكانية تفسيره بواسطة هذه النظرية.[11] بدلاً من ذلك، يُعتبر الموصل الفائق غير تقليدي إذا كان معامل النظام للترتيب الفائق يتحول وفقاً لتمثيل غير قابل للاختزال غير طبيعي لمجموعة النقاط أو زمرة فراغية في النظام.
حسب درجة الحرارة الحرجة
تُعتبر المادة ذات موصلية فائقة مرتفعة الحرارة بشكل عام إذا وصل إلى حالة فائقة القدرة فوق درجة حرارة 30 K (−243.15 °C)؛ [12] كما في الاكتشاف الأولي لجورج بدنورتس وكارل مولر.[7] قد يشير أيضاً إلى المواد التي تنتقل إلى حالة فائقة القدرة عند تبريدها باستخدام النيتروجين السائل - أي عندما تكون درجة الحرارة الحرجة Tc > 77 K، على الرغم من أن استخدام النيتروجين السائل يُستخدم عادة للتأكيد فقط على كونه كافياً للتبريد. تشير الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة المنخفضة إلى المواد ذات درجة حرارة حرجة أقل من 30 K، وتبرد بشكل رئيسي باستخدام الهيليوم السائل (Tc > 4.2 K). هناك استثناء واحد لهذا القاعدة وهو مجموعة موصلات الحديد الفوسفيدية التي تظهر سلوكاً وخواصاً تقليدية للموصلات عالية الحرارة، ومع ذلك فإن بعض المواد في هذه المجموعة لديها درجات حرارة حرجة أقل من 30 K.
حسب المادة
تشمل فئات المواد العازلة الفائقة العناصر الكيميائية (مثل الزئبق أو الرصاص)، والسبائك (مثل النيوبيوم-التيتانيوم والجرمانيوم-النيوبيوم ونتريد النيوبيوم)، والسيراميك (مثل YBCO وثنائي بوريد المغنسيوم)، ومركبات البنتايتيد ذات موصلية فائقة (مثل فلوريد LaOFeAs المشوب بالفلور) أو الموصلات الفائقة العضوية (الفولرين وأنابيب الكربون النانوية)، على الرغم من أنه قد ينبغي تضمين هذه الأمثلة ضمن العناصر الكيميائية، حيث تتألف بالكامل من الكربون).[14][15]
الخصائص الأساسية للموصلات الفائقة
تختلف العديد من الخواص الفيزيائية للموصلات الفائقة من مادة إلى أخرى، مثل درجة الحرارة الحرجة وقيمة الفجوة الفائقة والمجال المغناطيسي الحرج وكثافة التيار الحرجة التي يتم فيها تدمير الفائقية. ومن ناحية أخرى، هناك فئة من الخواص التي لا تعتمد على المادة الأساسية. تأثير مايسنر (Meissner) وكمّنة التدفق المغناطيسي أو التيارات الدائمة، أي حالة المقاومة الصفر هي أمثلة هامة جداً. إن وجود هذه الخواص "العالمية" يستمد جذوره من طبيعة الانتقاص في تماثل الموصل الفائق وظهور النظام ذو الترتيب النطاقي طويل المدى خارج القطري. إن الموصلية الفائقة هي مرحلة حرارية، وبالتالي تتمتع بخصائص مميزة تعتمد إلى حد كبير على التفاصيل المجهرية.
يرتبط الترتيب طويل المدى خارج القطري ذو الأقطاب غير المتجانسة ارتباطاً وثيقاً بتكوين أزواج كوبر. يقدم المقال الذي كتبه في. إف. فايسكوف شروحات فيزيائية بسيطة لتكوين أزواج كوبر، ولأصل القوة الجاذبة التي تسبب ترابط الأزواج، ولفجوة الطاقة المحدودة، ولوجود التيارات الدائمة.[16]
تفسير وجود حالة الموصلية الفائقة
إن مصدر المقاومة الكهربائية في المعادن هو تصادم الإلكترونات الحرة سواء مع الشبكة البلورية أم مع العيوب و الشوائب (إذ يؤدي ذلك إلى استقرار المقاومة النوعية على قيمة دنيا لا تتعلق بدرجة الحرارة)، وإن ما يُشعر بوجود المقاومة هو تغيّر متجه اندفاع الإلكترون بعد كل تصادم. أما في حالة الناقلية الفائقة فإن الإلكترونات تترابط فيما بينها لتشكل أزواجاً من الإلكترونات تدعى أزواج كوبر Cooper pairs؛ إذ إن تشكل هذه الأزواج يخفض من طاقة هذه الإلكترونات. قد يبدو غريباً أن يترابط إلكترونان يحملان شحنة كهربائية من النوع نفسه، ولكن بما أن الإلكترونات تسبح ضمن شبكة بلورية فيمكن فهم هذا التزاوج كما يأتي: عند مرور الإلكترون ضمن الشبكة البلورية يولد اضطراباً ضمن هذه الشبكة و يؤدي هذا الاضطراب إلى توليد فونون (كمّ اهتزاز الشبكة) يمتصه إلكترون آخر.
يمكن فهم انعدام المقاومة في إطار هذه النظرية على أنه ناتج من أن الاندفاع الكلي لزوج الإلكترونات يبقى محفوظاً ومن ثم لا يتأثر الزوج بالتصادمات. يحدد اندفاع زوج الإلكترونات بكثافة التيار المار في الجسم، وعندما تتجاوز هذه الكثافة قيمة محددة تدعى كثافة التيار الحرج ينفصل زوج الإلكترونات و يعود الجسم إلى حالته الطبيعية.
وضعت هذه النظرية من قبل جون باردين John Bardeen و ليون كوبر Leon Cooper و جون شريفر John Schrieffer في عام 1957، وهي تفسر جزءاً كبيراً من خواص المواد في حالة الناقلية الفائقة، ولكنها لم تنجح في تفسير وجود درجة حرارة حرجة أعلى من درجة حرارة الآزوت السائل.
المقاومة الكهربائية الصفرية للتيار المستمر
تحول طوري
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
تاريخ الموصلية الفائقة
اكتشفت هذه الظاهرة مصادفة في عام 1911، ويعود الفضل في ذلك إلى العالم الهولندي كامرلنغ أونس Kamerlingh Onnes. فقد كان هذا العالم يحاول دراسة المقاومة النوعية للمعادن في درجات الحرارة المنخفضة لمعرفة إذا كانت ستتابع انخفاضها الخطي مع انخفاض درجة الحرارة أم ستثبت عند قيمة محددة. وقد اختار معدن الزئبق للتجربة لكونه سائلاً عند درجة حرارة الغرفة ولأنه يمكن الحصول عليه بنقاوة عالية. فبعد أن نجح في تمييع الهليوم عام 1908 تمكن من الحصول على درجة حرارة من رتبة كلفن واحد (علماً أنّ (s273º K= 0ºC، ولاحظ أن المقاومة النوعية للزئبق تنخفض بجوار s4ºK بصورة مفاجئة وسريعة إلى قيمة لا يمكن قياسها. وبعد الدراسة وجد أن حالة انعدام المقاومة هذه ـ والتي سماها «الناقلية الفائقة» ـ يمكن إزالتها إما بتطبيق حقل مغنطيسي تتجاوز شدته شدة معينة تدعى الحقل الحرج (Hc) وإما بتمرير تيار كهربائي تتجاوز كثافته قيمة معينة تدعى كثافة التيار الحرج (Jc).
في عام 1933 اكتشف العالمان مايسنر Meissner وأشسنفيلد Ochsenfeld أن كلاً من الرصاص والقصدير يَطردان الحقل المغنطيسي كلياً إلى الخارج عند عبورهما إلى حالة الناقلية الفائقة...[17]
وقد طوَّر النظرية الحديثة للتوصيل الفائق ثلاثة من علماء الفيزياء الأمريكيين، وهم جون باردين، وليون كوپر، وجون روبرت شريفر، وتُعْرَف هذه النظرية بنظرية (bcs)، وهي تحمل أسماء مكتشفيها الثلاثة الذين فازوا بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1972م لتطويرهم هذه النظرية. وليس للموصل الفائق مقاومة كهربائية نظرًا لوجود تفاعل جذبي بين الإلكترونات والذي ينتج عنه تكوين أزواج من الإلكترونات. وترتبط أزواج الإلكترونات بعضها ببعض وتندفع دون مقاومة حول المواد الملوثة والشوائب. وتحدث المقاومة في المُوَصِّل العادي لأن الإلكترونات غير المرتبطة ترتطم بالشوائب ثم تتشتت.
والمثير في هذا الاكتشاف أن طرد الحقل يحصل سواء تمّ تبريد العيّنة بوجود حقل مغنطيسي أم من دونه، أي إن الوصول إلى هذه الحالة لا يتعلق بالطريق المسلوك، مما يعني أن حالة الناقلية الفائقة هي حالة ترموديناميكية. تدعى ظاهرة طرد الحقل هذه بالمغنطيسية المعاكسة التامة perfect diamagnetism وتسمى أحياناً (في حالة الناقلية الفائقة) بحالة مايسنر.
تؤدي حالة مايسنر إلى وجود قوة تدافع بين مغنطيس دائم و جسم ذي ناقلية فائقة مبرد إلى درجة حرارة أخفض من درجة حرارته الحرجة.
شهد القرن العشرين أبحاثاً كثيرة في مجال الناقلية الفائقة أدت إلى اكتشاف عائلة جديدة من المواد السيراميكية ذات حالة ناقلية فائقة عند درجة حرارة حرجة أعلى من درجة حرارة الآزوت السائل البالغة 77 K.
أول مركب تم اكتشافه من هذه العائلة هو YBa2Cu3O7-x وهو يعبر إلى حالة الناقلية الفائقة عند درجة حرارة من رتبة º90K. لمعرفة أهمية هذا الاكتشاف يجب تذكّر أن كلفة الحصول على الآزوت السائل أرخص بكثير من كلفة الحصول على الهليوم السائل؛ لكون الآزوت الغازي متوافراً في الهواء.
وفي عام 1986م أعلن عالم الفيزياء الألماني جورج بدنورز والعالم الفيزيائي السويسري ألكس مولر اكتشافهما التوصيل الفائق في المواد الخزفية. وتصبح هذه المواد ذات توصيل فائق عند حرارة أعلى من الفلزات والسبائك. ونال بدنورز ومولر جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1987م لهذا الاكتشاف. ومنذ ذلك الوقت تمكَّن العُلماء من اكتشاف مواد خزفية أخرى تصبح فائقة التوصيل عند درجة حرارة عالية بحيث تكفي لاستخدام النيتروجين السائل لتبريدها. ويجب تبريد الفلزات والسبائك إلى درجة حرارة التوصيل الفائق باستخدام الهليوم السائل، وهو أعلى تكلفة وأصعب في التعامل من النيتروجين السائل.
وفي عام 2001، أعلن الباحثون أن ثنائي بوريد المغنسيوم (MgBr2) يصبح فائق التوصيل عند درجة الحرارة -234°م، أي أعلى بنحو 20°م من أي مركب فلزي آخر. كما أعلن الباحثون في العام نفسه أن البلورة التي تحتوي على كرات الكربون وثلاثي بروميد المثيل (CHBr3) تصبح فائقة التوصيل عند درجة حرارة -156°م. وتعرف كرات الكربون باسم بكمنسترفولرين أو كرات بكي، وتحتوي كل واحدة منها على 60 ذرة كربون.
اكتشف العالم الهولندي هايكه كامرلنغ اُونـِّس التوصيل الفائق عام 1911م، وتم هذا الاكتشاف عندما كان يقيس المقاومة الكهربائية لزئبق متجمد.[18]
الاستخدامات
ويستخدم التوصيل الفائق في المجال الكهرومغنطيسي. وقد تمكن الباحثون من تطوير مغانط فائقة التوصيل، تستخدم كهرباء أقل من المغانط الكهربائية العادية. وقد مكَّنت مغانط التوصيل الفائق علماء الفيزياء من إنشاء معجِّل جسيمات أكثر فاعلية، وهي أجهزة تزيد سرعة جُسَيمات الذرة. انظر معجل الجسيمات.
ويبحث العُلماء اليوم الاستخدامات الممكنة للمواد الجديدة فائقة التوصيل عند درجة حرارة عالية. فهم مثلاً يجرون اختبارًا على جهاز مفتاح فائق التوصيل يضبط الدوائر الكهربائية في الحاسوب. وتعمل هذه الأجهزة بسرعة فائقة ولا تُنْتِج أي حرارة تقريبًا. وقد يكون التوصيل الفائق مفيدًا لتوصيل الكهرباء. فخطوط القدرة المصنوعة من المواد فائقة التوصيل يمكن أن تحمل تيارًا عبر مسافات بعيدة دون فقدان أي قدرة بسبب المقاومة الكهربائية. وخطوط القدرة هذه يمكن أن توفِّر كميات كبيرة من الطاقة. وإضافة إلى ذلك، فهي تسهل اختيار مناطق لمحطات القدرة بحيث يكون تأثير تلك المحطات على الناس وعلى البيئة قليلاً.
وهنالك العديد من المشاكل التي يجب حلها قبل الاستخدام التجاري للموصلات الفائقة عند درجات الحرارة العالية. ويصعب تصنيع معظم الموصِّلات الفائقة الخزفية. ونجد الخزف أيضًا مادة سريعة الانكسار وليس من السهل تصنيعها في هيئة أسلاك. ولكن طور الباحثون أشرطة رفيعة مرنة تستطيع حمل تيارات كبيرة.
وتشرح نظرية (BCS) كيفية حدوث التوصيل الفائق في المواد الخزفية، إلا أنه لم يُقترح بعد نظرية كاملة حول هذه الظاهرة.
الخصائص الأولية للموصلات الفائقة
المقاومة الكهربائية الصفرية للتيار المستمر
تغير أطوار الموصلية الفائقة
تأثير مايسنر
حيث H هي المجال المغناطيسي و λ هو عمق اختراق لندن.
هذه المعادلة، المعروفة بإسم معادلة لندن، تتوقع المجال المغناطسي في موصل فائق الاضمحلال الأسي من أي قيمة تمتلكها على السطح.
عزم لندن
معادلات لندن القوامية (التأسيسية)
معادلتا لندن التأسيسيتان للموصل الفائق هما:
نظريات الموصلية الفائقة
الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية
في فبراير 2008، اكتُشفت مجموعة من المواد ذات موصلية فائقة عالية الحرارة تعتمد على الحديد. [19][20] اكتشف هيديو هوسونو من معهد طوكيو للتكنولوجيا وزملاؤه (LaO1-xFxFeAs) أرسينيد الحديد أكسيبنكتيد اللانثانوم الأكسجين الفلور الذي يصبح فائقاً في درجة حرارة أدنى من 26 كلفن. تشير الأبحاث اللاحقة من مجموعات أخرى إلى أن استبدال اللانثانوم في LaO1-xFxFeAs أرسينيد الحديد اللانثانوم الأكسجين الفلور بعناصر أرضية نادرة أخرى مثل السيريوم والسماريوم والنيوديميوم والبراسيوديميوم يؤدي إلى خاصية موصلية فائقة تعمل عند 52 كلفن. يأمل الخبراء أن وجود مجموعة أخرى للدراسة سيؤدي أيضاً إلى وجود نظرية الموصلية الفائقة من نوع النحاسات.
- BCS (دائرة خضراء داكنة)
- ذات الفرميونات الثقيلة (نجمة خضراء فاتحة)
- نحاسات (معين أزرق)
- بوكمينستر فوليرين-(مثلث مقلوب بلون أرجواني)
- روثينات السترونشيوم (مخمس رمادي)
- نيكل (نجمة وردية ذات ست رؤوس)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الموصلات بدرحة حرارة الغرفة
لأول مرة في العالم، نجح باحثون، من جامعة كوريا، في تصنيع موصل فائق في درجة حرارة الغرفة (Tc≥400 كلڤن، 127°س) الذي يعمل في الضغط المحيط بهيكل أباتيت الرصاص المعدل (LK-99). تم إثبات الموصلية الفائقة لـ LK-99 من خلال درجة الحرارة الحرجة (Tc)، والمقاومة الصفرية، والتيار الحرج (Ic) ، والمجال المغناطيسي الحرج (Hc)، وتأثير مايسنر.
تنشأ الموصلية الفائقة لـ LK-99 من التشوه الهيكلي الدقيق عن طريق انكماش طفيف في الحجم (0.48٪)، وليس بسبب عوامل خارجية مثل درجة الحرارة والضغط. يحدث الانكماش بسبب استبدال Cu2 + أيونات Pb2 + (2) في شبكة العزل من Pb (2) - فوسفات ويولد الإجهاد. ينتقل بشكل متزامن إلى Pb (1) من العمود الأسطواني مما يؤدي إلى تشويه واجهة العمود الأسطواني، مما يؤدي إلى إنشاء آبار كمية فائقة التوصيل (SQWs) في الواجهة. أشارت نتائج السعة الحرارية إلى أن النموذج الجديد مناسب لشرح الموصلية الفائقة لـ LK-99. يعتبر الهيكل الفريد لـ LK-99 الذي يسمح بالحفاظ على البنية الدقيقة المشوهة في الواجهات هو العامل الأكثر أهمية الذي يحافظ عليه LK-99 ويعرض الموصلية الفائقة في درجات حرارة الغرفة والضغط المحيط.[21]
كانت هناك موصلات فائقة قريبة من درجة حرارة الغرفة أو ربما في درجة حرارة الغرفة التي كان لا بد من وضعها في منجلة الماس لتكوين الضغوط. لم تكن هذه الطريقة عملية. يمكن تصنيع هذه المواد في 34 ساعة باستخدام معدات المختبر الأساسية.
حظي النجاح الأخير في تطوير موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة مع كبريتيد الهيدروجين وهيدريد الإيتريوم الفائق باهتمام كبير في جميع أنحاء العالم، وهو ما تتوقعه نظرية اقتران الإلكترون-الفونون القوية مع أنماط فونون الهيدروجين عالية التردد. ومع ذلك، من الصعب تطبيقها على أجهزة التطبيق الفعلية في الحياة اليومية بسبب الضغط المرتفع بشكل هائل، ويتم بذل المزيد من الجهود للتغلب على مشكلة الضغط المرتفع.
لم يتم تخفيف الضغط الناتج عن استبدال Cu2 + لأيون Pb (2) 2+ بسبب التفرد الهيكلي لـ LK-99 وفي نفس الوقت تم نقله بشكل مناسب إلى واجهة العمود الأسطواني. بمعنى آخر، تشغل ذرات Pb (1) في واجهة العمود الأسطواني لـ LK-99 مساحة محدودة هيكليًا. تتأثر هذه الذرات بالكامل بالإجهاد والانفعال الناتج عن أيونات Cu2 +. لذلك، يمكن صنع SQWs في الواجهة بمقدار مناسب من التشويه (57) في درجة حرارة الغرفة والضغط المحيط دون ارتخاء.
من وجهة النظر هذه، يتم تخفيف الضغط الناتج عن تقلص الحجم بسبب درجة الحرارة والضغط ويختفي في أنظمة الموصلات الفائقة القائمة على CuO وFe لأن عملية الارخاء لا يمكن تقييدها بسبب الحرية الهيكلية. لذلك، يحتاجون إلى درجة حرارة مناسبة أو ضغط مناسب للحد من الحرية الهيكلية وتحقيق توليد SQW. تعد LK-99 مادة مفيدة جدًا لدراسة ألغاز الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة.
تشير جميع الأدلة والتفسيرات إلى أن LK-99 هو أول موصل فائق في درجة حرارة الغرفة والضغط المحيط. يتمتع LK-99 بالعديد من الاحتمالات لمختلف التطبيقات مثل المغناطيس والمحرك والكابل وقطار الارتفاع وكابل الطاقة والكيوبت للحاسوب الكمومي والهوائيات، إلخ. يعتقد الباحثون أن التطور الجديد سيكون حدثًا تاريخيًا جديدًا يفتح حقبة جديدة للبشرية.
التطبيقات
تستعمل الموصلات الفائقة في صنع مغناطيسات كهربائية قوية جدا كتلك المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وتلك المستخدمة في مسرعات الجزيئات، كما تستخدم الموصلات الفائقة في صنع الدارات الكهربائية الرقمية وفلاتر المايكروويف في محطات الإرسال للهواتف الخلوية وفي الكثير من التطبيقات الكهربائية والعلمية.
كما تُستخدم من أجل ذلك كبلات من سبيكة النيوبيوم ـ تيتان الموضوعة ضمن حافظة من النحاس (ذلك لأنه لايمكن صنع كبلات من هذه السبيكة وحدها) إذ يتجاوز التيار الحرج لهذه الكبلات القيمة 105A/cm2 عند درجة حرارة الهليوم السائل.
استخدامات الحقول المغنطيسية الشديدة كثيرة ومتعددة، فهي ضرورية في كثير من تجارب فيزياء الجسم الصلب، كما أنها تستخدم لتسريع الجسيمات الأساسية بغية إجراء تصادمات شديدة فيما بينها في فيزياء الطاقات العالية، وهي أيضاً أساسية في التصوير الطبي بطريقة التجاوب (الرنين) المغنطيسي ، وإن استخدام الكبلات ذات الناقلية الفائقة يصغِّر من حجم المغانط الكهربائية ويسهل عملها واستخدامها.
أما بالنسبة إلى نقل الطاقة الكهربائية ـ وهو الحلم الذي طالما داعب خيال الفيزيائيين منذ اكتشاف ظاهرة الناقلية الفائقة - فهناك دراسات تشير إلى إمكان استخدام أشرطة مصنَّعة من المركب(Bi¨Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox (Tc=108K) المضغوط ضمن حافظة من الفضة ويرمز لهذه الأشرطة بالرمز (Ag-BSCCO)، والذي يملك خاصة هامة جداً هي إمكانية استخدامه عند درجة حرارة الآزوت السائل. ويمكن لهذه الأشرطة أن تمرر تياراً حرجاً يصل إلى s104sA/cm2 بدرجة حرارة الآزوت السائل.
كما تدرس الصين استخدام هذه الأشرطة بصورة جدية في نقل التيار الكهربائي وذلك بغية تلبية الطلب المتزايد على الطاقة لديها الناتج من النمو الاقتصادي.
كما أن هناك تطبيقات أخرى تعتمد على ما يدعى بالسكويد.
تعرف وصلة جوزيفسون بأنها تتألف من طبقتين من مادة ذات ناقلية فائقة (من معدن النيوبيوم على الأغلب) تفصل بينهما طبقة عازلة سماكتها من 10 حتى 100 نانومتر. وإذا وُضعت وصلتا جوزيفسون على التسلسل ينشأ ما يدعى بالسكويد SQUID وهو جهاز التداخل الكمومي الفائق الناقلية، ويملك القدرة على تحسس حقول مغنطيسية أصغر بـ 100 مليار مرة من الحقل الذي يحرك إبرة البوصلة.
يستخدم السكويد في تحسس الحقول المغنطيسية الضعيفة، ويعدّ أهم تطبيقاته قياس شدة المغنطة لعينات ذات حجم صغير. أما في مجال الطب فيُصَف عدد من أجهزة السكويد على شكل مصفوفة يمكنها تحسس الحقل المغنطيسي الناتج من حركة الدم في المخ ومن ثم تعطي معلومات عن عمل مختلف أجزاء المخ.
تشمل التطبيقات المستقبلية الواعدة الشبكة الذكية عالية الأداء، ونقل الطاقة الكهربائية، والمحولات، وأجهزة تخزين الطاقة، وأجهزة طاقة الاندماج، والمحركات الكهربائية (مثل دفع المركبات، مثل القطارات الفائقة السرعة أو القطارات المغناطيسية)، وأجهزة التعليق المغناطيسي، ومحددات التيار الناتج عن عطل طهربائي، وتحسين أجهزة الدوارات المغناطيسية باستخدام مواد ذات نوصلية فائقة،[22] وتشمل أيضاً تطبيقات تبريد المغناطيسية الفائقة. ومع ذلك، فإن المواد ذات موصلية فائقة حساسة لحقول المغناطيس المتحركة، لذا فإن التطبيقات التي تستخدم التيار المتردد (مثل المحولات) ستكون أكثر صعوبة في التطوير من تلك التي تعتمد على التيار المستمر. بالمقارنة مع خطوط النقل الكهربائية التقليدية، تعتبر خطوط النقل ذات موصلية فائقة أكثر كفاءة وتتطلب فقط جزءاً صغيراً من المساحة، مما لا يساهم فقط في تحسين الأداء البيئي، بل يمكن أن يعزز أيضاً القبول العام لتوسيع الشبكة الكهربائية.[23] جانب صناعي آخر جذاب هو القدرة على نقل طاقة عالية عند جهود أقل.[24]كما أدى التقدم في كفاءة أنظمة التبريد واستخدام سوائل التبريد الرخيصة مثل النيتروجين السائل قد خفضت بشكل كبير تكاليف التبريد اللازمة للحصول على موصلية فائقة.
المواد ذات موصلية فائقة
يمكن التمييز بين نوعين من المواد ذات موصلية فائقة، وذلك بحسب سلوكها عند تعرضها لحقل مغنطيسي:
يتميز النوع الأول type I superconductor بأنه عند تعرضه لحقل مغنطيسي يطرده إلى الخارج إلى أن تبلغ شدة هذا الحقل قيمة تدعى الحقل الحرج Hc، يسمح عندها بدخول الحقل إلى داخل المادة دفعة واحدة.
أما النوع الثاني type II superconductor فإنه يطرد الحقل المغنطيسي حتى تبلغ شدته قيمة تدعى الحقل الحرج السفلي Hc1، يبدأ عندها الحقل بولوج المادة جزئياً، وذلك على شكل كمّات من التدفق تدعى الدوامات المغنطيسية vortex. ويزداد عدد هذه الكمّات ضمن المادة كلما ارتفعت شدة الحقل إلى أن تبلغ قيمة الحقل الحرج العلوي Hc2 الذي تفقد المادة عنده حالة الناقلية الفائقة لتعود إلى الحالة الطبيعية.
عند مرور تيار ضمن ناقل فائق من النوع الثاني فإن هذه الدوامات تتحرك باتجاه معامد لاتجاه التيار، وتولد هذه الحركة حقلاً كهربائياً باتجاه التيار المار يشعِر بوجود مقاومة كهربائية ضعيفة. في الحالة العملية تكون الدوامات ملتصقة بعيوب ضمن المادة، ومن المعروف في علم المواد أنه يمكن تقليل كمية العيوب ضمن مادة معينة ولكن لا يمكن تحضير مادة من دون عيوب، ومنه فإن الدوامات تجد دائماً ما تلتصق به.
جوائز نوبل للموصلية الفائقة
- هايكه كامرلنغ أونس (1913)، "لبحوثه في خصائص المادة عند درجات الحرارة المنخفضة التي أدت، بين أمور أخرى، إلى إنتاج الهيليوم السائل".
- جون باردين، ليون كوبر، وجون روبرت شريفر (1972)، "لنظريتهم المطورة بشكل مشترك للموصلية الفائقة، المعروفة عادة باسم نظرية بي سي اس".
- ليو إساكي، إيڤار گياڤر، وبريان ديڤيد جوسفسون (1973)، "لاكتشافاتهم التجريبية المتعلقة بظواهر النفق في الشبه الموصلات والموصلية الفائقة على التوالي" و "لتنبؤاته النظرية بخصائص تيار فائق عبر حاجز النفق، وخاصة تلك الظواهر المعروفة عموماً بتأثيرات جوزيفسون".
- يوهانس گيورگ بدنورتس. كارل ألكس مولر (1987)، "لانجازهما الهام في اكتشاف موصلية فائقة في المواد السيراميكية".
- ألكسي ألكسييڤيتش أبريكوسوڤ، ڤيتالي گينزبورگ، وأنتوني لگت (2003)، "لمساهماتهم الرائدة في نظرية الموصلية الفائقة والسوائل الفائقة".[25]
طالع أيضاً
- إنعكاس أندريڤ
- Charge transfer complex
- Color superconductivity in quarks
- Composite Reaction Texturing
- covalent superconductors
- قانون هموس
- تأثير كوندو
- تأير ليتل پاركس
- Magnetic sail
- National Superconducting Cyclotron Laboratory
- Proximity effect
- Room temperature superconductor
- Rutherford cable
- Spallation Neutron Source
- Superconducting RF
- Superfluid film
- Timeline of low-temperature technology
مرئيات
| تجربة إنشاء موصل فائق في درجة حرارة الغرفة، كوريا الجنوبية، يوليو 2023. |
هامش
- ^ Combescot, Roland (2022). Superconductivity. Cambridge University Press. pp. 1–2. ISBN 9781108428415.
- ^ Fossheim, Kristian; Sudboe, Asle (2005). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley and Sons. p. 7. ISBN 9780470026434.
- ^ John Bardeen; Leon Cooper; J. R. Schriffer (December 1, 1957). Theory of Superconductivity. Vol. 108. p. 1175. Bibcode:1957PhRv..108.1175B. doi:10.1103/physrev.108.1175. ISBN 978-0-677-00080-0. S2CID 73661301. Retrieved June 6, 2014.
{{cite book}}:|journal=ignored (help) reprinted in Nikolaĭ Nikolaevich Bogoliubov (1963) The Theory of Superconductivity, Vol. 4, CRC Press, ISBN 0677000804, p. 73 - ^ John Daintith (2009). The Facts on File Dictionary of Physics (4th ed.). Infobase Publishing. p. 238. ISBN 978-1-4381-0949-7.
- ^ John C. Gallop (1990). SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting Electronics. CRC Press. pp. 1, 20. ISBN 978-0-7503-0051-3.
- ^ Durrant, Alan (2000). Quantum Physics of Matter. CRC Press. pp. 102–103. ISBN 978-0-7503-0721-5.
- ^ أ ب J. G. Bednorz & K. A. Müller (1986). "Possible high Tc superconductivity in the Ba−La−Cu−O system". Z. Phys. B. 64 (1): 189–193. Bibcode:1986ZPhyB..64..189B. doi:10.1007/BF01303701. S2CID 118314311.
- ^ "Superconductivity | CERN". home.cern. Retrieved 2020-10-29.
- ^ Orthacker, Angelina. "Superconductivity" (PDF). Technical University of Graz.
- ^ "Type-1.5 superconductor shows its stripes". Physics World (in الإنجليزية البريطانية). 2009-02-17. Retrieved 2020-10-29.
- ^ Gibney, Elizabeth (5 March 2018). "Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity". News. Nature. 555 (7695): 151–2. Bibcode:2018Natur.555..151G. doi:10.1038/d41586-018-02773-w. PMID 29517044.
Superconductors come broadly in two types: conventional, in which the activity can be explained by the mainstream theory of superconductivity, and unconventional, where it can't.
- ^ Grant, Paul Michael (2011). "The great quantum conundrum". Nature. Nature Publishing Group, a division of Macmillan Publishers Limited. All Rights Reserved. 476 (7358): 37–39. doi:10.1038/476037a. PMID 21814269. S2CID 27665903.
- ^ José A.Flores-Livas; et al. (29 April 2020). "A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials". Physics Reports. 856: 1–78. arXiv:1905.06693. Bibcode:2020PhR...856....1F. doi:10.1016/j.physrep.2020.02.003. S2CID 155100283.
- ^ Hirsch, J. E.; Maple, M. B.; Marsiglio, F. (2015-07-15). "Superconducting materials classes: Introduction and overview". Physica C: Superconductivity and Its Applications. Superconducting Materials: Conventional, Unconventional and Undetermined (in الإنجليزية). 514: 1–8. arXiv:1504.03318. Bibcode:2015PhyC..514....1H. doi:10.1016/j.physc.2015.03.002. ISSN 0921-4534. S2CID 12895850.
- ^ "Classification of Superconductors" (PDF). CERN.
- ^ Weisskopf, Victor Frederick (1979). "The formation of Cooper pairs and the nature of superconducting currents". CERN Yellow Reports: Monographs (in الإنجليزية). doi:10.5170/CERN-1979-012.
{{cite journal}}: Cite journal requires|journal=(help) - ^ [http://www.arab-ency.com/index.php?module=pnEncyclopedia&func=display_term&id=6873&m=1 الناقلية الفائقة, الموسوعة العربية
- ^ "التوصيل الفائق". الموسوعة المعرفية الشاملة. Retrieved 2010-07-12.
{{cite web}}: Cite has empty unknown parameter:|coauthors=(help) - ^ Hiroki Takahashi, Kazumi Igawa, Kazunobu Arii, Yoichi Kamihara, Masahiro Hirano, Hideo Hosono (2008). "Superconductivity at 43 K in an iron-based layered compound LaO1-xFxFeAs". Nature. 453: 376–378. doi:10.1038/nature06972.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) - ^ Adrian Cho. "Second Family of High-Temperature Superconductors Discovered". ScienceNOW Daily News.
- ^ "Regular Pressure Room Temperature Superconductor is a World Changer if Mass Produced". nextbigfuture.com. 2023-07-25. Retrieved 2023-07-26.
- ^ Linder, Jacob; Robinson, Jason W. A. (2 April 2015). "Superconducting spintronics". Nature Physics. 11 (4): 307–315. arXiv:1510.00713. Bibcode:2015NatPh..11..307L. doi:10.1038/nphys3242. S2CID 31028550.
- ^ Thomas; et al. (2016). "Superconducting transmission lines – Sustainable electric energy transfer with higher public acceptance?". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 55: 59–72. doi:10.1016/j.rser.2015.10.041.
- ^ Li Ren; et al. (2009). "Technical and Economical Assessment of HTS Cables". IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 19 (3): 1774–1777. doi:10.1109/TASC.2009.2019058.
- ^ "All Nobel Prizes in Physics". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014.
المراجع
- موقع superconductors.org
- مقدمة عن الموصلات الفائقة
- Kleinert, Hagen, "Disorder Version of the Abelian Higgs Model and the Order of the Superconductive Phase Transition," Lett. Nuovo Cimento {\bf 35}, 405 (1982) (also available online: [1])
- Kleinert, Hagen, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, " SUPERFLOW AND VORTEX LINES"; Disorder Fields, Phase Transitions, pp. 1--742, World Scientific (Singapore, 1989); Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (also readable online: Vol. I)
- Larkin, Anatoly; Varlamov, Andrei, Theory of Fluctuations in Superconductors, Oxford University Press, Oxford, United Kingdom, 2005 (ISBN 0198528159)
- A.G. Lebed (Ed.) (2008). The Physics of Organic Superconductors and Conductors (1nd ed. ed.). Springer Series in Materials Science , Vol. 110. ISBN 978-3-540-76667-4 (Paperback).
{{cite book}}:|edition=has extra text (help); Check|isbn=value: invalid character (help) - Matricon, Jean; Waysand, Georges; Glashausser, Charles; The Cold Wars: A History of Superconductivity, Rutgers University Press, 2003, ISBN 0813532957
- ScienceDaily: Physicist Discovers Exotic Superconductivity (University of Arizona) August 17, 2006
- Tinkham, Michael (2004). Introduction to Superconductivity (2nd ed. ed.). Dover Books on Physics. ISBN 0-486-43503-2 (Paperback).
{{cite book}}:|edition=has extra text (help); Check|isbn=value: invalid character (help) - Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4th ed. ed.). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4345-0.
{{cite book}}:|edition=has extra text (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
وصلات خارجية
- Superconductivity: Current in a Cape and Thermal Tights. An introduction to the topic for non-scientists National High Magnetic Field Laboratory
- Introduction to superconductivity
- Lectures on Superconductivity (series of videos, including interviews with leading experts)
- Superconducting Niobium Cavities
- Superconductivity in everyday life : Interactive exhibition
- Video of the Meissner effect from the NJIT Mathclub
- Superconductivity News Update
- Superconductor Week Newsletter - industry news, links, et cetera
- Superconducting Magnetic Levitation Video
- Superconductor Science and Technology (journal)
- Why does a levitated magnet start to rotate? (German)
- National Superconducting Cyclotron Laboratory at Michigan State University
- High Temperature Superconducting and Cryogenics in RF applications
- CERN Superconductors Database
- YouTube Video Levitating magnet
- Isotope effect in superconductivity
- International Workshop on superconductivity in Diamond and Related Materials
- New Diamond and Frontier Carbon Technology Volume 17, No.1 Special Issue on Superconductivity in CVD Diamond