الملخص:
لطالما كانت الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة أحد أهم أهداف البحث في فيزياء المواد المكثفة. إذا أمكن تحقيق الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المحيطة العادية، فقد يؤدي ذلك إلى تغييرات كبيرة في مجالات مثل نقل الطاقة، والنقل بالارتفاع المغناطيسي، وتخزين الطاقة، والحوسبة الكمومية. حقق فريق بحث من جامعة أوتريخت في هولندا، وجامعة ليدن في هولندا، وجامعة ميونيخ في ألمانيا مؤخرًا تقدمًا مهمًا:
وقد وجدوا أنه في بعض المواد فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية، يمكن الحفاظ على ظاهرة الاقتران الإلكتروني اللازمة لتشكيل الموصلية الفائقة حتى درجة حرارة الغرفة. وهذا يعني أن العامل الرئيسي الذي يمنع المواد من تحقيق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة قد لا يكون عدم قدرة الإلكترونات على تكوين أزواج، ولكن عدم قدرة أزواج الإلكترون هذه على التحرك بطريقة منسقة.
الموصلية الفائقة هي حالة فيزيائية خاصة. عندما تصبح المادة فائقة التوصيل، يمكن للتيار أن يتدفق عبرها دون مقاومة، لذلك لا يتم فقدان الطاقة بسبب المقاومة مثل الموصلات العادية. في عام 1911، اكتشف العلماء لأول مرة ظاهرة الموصلية الفائقة. ومع ذلك، عادة ما تحتاج المواد التقليدية فائقة التوصيل إلى التبريد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية حتى تعمل. وتتطلب العديد من المواد استخدام الهيليوم السائل لخفض درجة الحرارة إلى حوالي 260 درجة مئوية تحت الصفر. إن متطلبات التبريد الباهظة الثمن والمعقدة هذه تحد بشدة من التطبيق واسع النطاق لتكنولوجيا الموصلية الفائقة.
في منتصف الثمانينيات، اكتشف العلماء عددًا من المواد التي يمكنها التوصيل الفائق عند درجات حرارة أعلى بكثير، وبعضها كانت درجة حرارته الحرجة فائقة التوصيل تبلغ حوالي 173 درجة مئوية تحت الصفر. على الرغم من أن درجة الحرارة هذه لا تزال أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة، إلا أنها تكسر حد درجة الحرارة للمواد التقليدية فائقة التوصيل وتثير أيضًا قضايا نظرية جديدة: النظريات التي تشرح الموصلية الفائقة التقليدية في درجات الحرارة المنخفضة لا يمكنها أن تفسر بشكل كامل سبب نجاح هذه المواد فائقة التوصيل ذات درجات الحرارة العالية.
يركز هذا البحث على شرطين لا غنى عنهما في تكوين الموصلية الفائقة.
الشرط الأول هو الاقتران الإلكتروني. عادة، تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض، وفي بعض المواد والبيئات، يمكن لإلكترونين أن يشكلا حالة مرتبطة تسمى زوج كوبر. يعد هذا الاقتران أساسًا مهمًا لتشكيل الموصلية الفائقة.
الشرط الثاني هو تماسك المرحلة. وحتى لو شكلت الإلكترونات زوجًا، فهذا لا يعني أن المادة ستدخل بالضرورة إلى حالة فائقة التوصيل. ويجب على أزواج الإلكترونات أيضًا أن تشكل حالة كمومية منسقة، مثل الشركاء في فريق الرقص. لا يحتاج كل عضو في الزوج إلى العمل معًا فحسب، بل يجب على جميع الأعضاء أيضًا الحفاظ على نفس الإيقاع. فقط عندما يتمكن عدد كبير من أزواج الإلكترونات من التحرك معًا بطريقة منسقة، يمكن للمادة أن تظهر خصائص التوصيل الفائق الحقيقية.
في المواد التقليدية فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة المنخفضة، عادةً ما يحدث الاقتران الإلكتروني وتماسك الطور معًا عندما تنخفض درجة الحرارة بالقرب من النقطة الحرجة. لكن الباحثين وجدوا أن العمليتين في المواد فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية يمكن فصلهما عن بعضهما البعض. الإلكترونات قادرة على تكوين أزواج في وقت مبكر، أعلى بكثير من درجة الحرارة الحرجة للموصلية الفائقة، وتبقى في هذه الحالة حتى في درجة حرارة الغرفة.
يعتقد فريق البحث أن هذا يدل على أن التفاعل الذي يحافظ على الاقتران الإلكتروني قوي بما فيه الكفاية بحيث أنه حتى لو ارتفعت درجة الحرارة إلى درجة حرارة الغرفة، فإن زوج الإلكترونات لن يتفكك على الفور. ما يحد حقًا من تكوين الموصلية الفائقة قد يكون الشرط الثاني، وهو ما إذا كانت أزواج الإلكترونات هذه قادرة على إنشاء تماسك الطور.
وقال إنغمار سوارت، أحد قادة البحث والعالم في جامعة أوتريخت، إن هذا الاكتشاف له أهمية كبيرة لأن فريق البحث أثبت أن أحد الشرطين الأساسيين المطلوبين لتكوين الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة يمكن تحقيقه في درجة حرارة الغرفة. إذا لم يكن من الممكن ببساطة الحفاظ على الاقتران الإلكتروني في درجة حرارة الغرفة، فإن الجهود المبذولة للعثور على مواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة ستكون محدودة بشكل أساسي منذ البداية. والآن بعد أن تمت إزالة هذه العقبة بشكل أكبر، يمكن للباحثين إجراء دراسة مكثفة حول كيفية تشكل تماسك الطور بالضبط وما الذي يمنعه من الظهور عند درجات حرارة أعلى.
يرتبط التقدم في هذا البحث ارتباطًا وثيقًا بمعدات القياس الجديدة التي طورها الباحثون أنفسهم. غالبًا ما تواجه طرق القياس التقليدية صعوبة في التمييز بوضوح بين ما إذا كان التيار يحمله إلكترون واحد أم عن طريق الإلكترونات التي شكلت زوجًا. يمكن للجهاز الجديد الذي صممه فريق البحث التمييز بين هذين التيارين، مما يسمح لهم بدراسة نطاق درجة الحرارة الذي يحدث فيه الاقتران الإلكتروني داخل المادة بشكل مباشر، وكيفية ارتباط ذلك بحالة التوصيل الفائق.
المادة المستخدمة في البحث هي موصل فائق لأكسيد النحاس في درجات الحرارة العالية، وتحديدًا مادة أكسيد النحاس والبزموت والسترونتيوم والكالسيوم. ومن خلال قياس خصائص طاقة الإلكترون الخاصة به، وجد الباحثون تطابقًا بين ظاهرة كانت تُعرف سابقًا باسم الفجوة الكاذبة (Pseudogap) والطاقة اللازمة للاقتران الإلكتروني. يوفر هذا أساسًا تجريبيًا جديدًا لفهم آلية الاقتران الإلكتروني في الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية.
الورقة البحثية ذات الصلة تحمل عنوان "تكافؤ الفجوة الكاذبة وطاقة الاقتران في موصل فائق عالي الحرارة نحاسي" وتم نشرها في مجلة Science في 5 نوفمبر 2026. المؤلفون الرئيسيون للورقة هم جياسن نيو ومايلين أورتيغو لارازابال، وتم الانتهاء من البحث بالتعاون مع علماء من جامعة أوترخت وجامعة ليدن وجامعة ميونيخ ومؤسسات أخرى.
ومع ذلك، فإن هذا الاكتشاف لا يعني أن العلماء قد ابتكروا مواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة. لم يثبت الباحثون أن أي مادة يمكن أن تحقق مقاومة صفرية في درجة حرارة الغرفة، كما لم يثبتوا دوائر فائقة التوصيل يمكن أن تعمل في درجة حرارة الغرفة. وجاء الإنجاز الحقيقي عندما اكتشفوا أن الشرط الضروري لاقتران الإلكترونات يمكن أن يوجد في درجة حرارة الغرفة، مما يزيد من تضييق نطاق المشكلة التي تحتاج إلى حل في البحث عن الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة.
بعد ذلك، سيركز فريق البحث على دراسة تماسك الطور، محاولًا معرفة سبب تشكل أزواج الإلكترونات في درجة حرارة الغرفة ولكن لا يمكنها تنسيق حركتها في نفس درجة الحرارة. إذا تمكنوا من إيجاد طريقة للتحكم في هذه العملية، فقد يكونون قادرين على تصميم مواد جديدة يمكنها التوصيل الفائق في درجات حرارة أعلى.
من منظور أهمية البحث، فإن القيمة الأكثر أهمية لهذا الإنجاز لا تتمثل في جلب مادة جديدة فائقة التوصيل على الفور، ولكن مساعدة العلماء على فهم الآلية الفيزيائية للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية بشكل أكثر دقة. على مدى العقود القليلة الماضية، كانت أبحاث الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة محدودة بسبب التفسيرات النظرية غير المكتملة. الآن، يمكن دراسة الاقتران الإلكتروني وتماسك الطور بشكل منفصل، مما يوفر اتجاهًا أكثر وضوحًا للمرحلة التالية من تصميم المواد والاستكشاف التجريبي.
التعليقات