السر الكمومي للتوصيل الفائق للكهرباء
محتوى مترجم | ||
| المصدر |  | |
| التاريخ | ||
| الكاتب | ||
تكافئ الطاقة الناتجة من عدة كيلوغرامات من مادة التي إن تي المتفجرة، أحد أقوى المجالات المغناطيسية المولّدة، الذي يحمل في تجويفه بلورة نقاؤها 0.003 قيراط.
يقول المهندس جيروم بييرد، إنه قد صدر عن المغناطيس صوت مدوٍّ قليلًا، يشبه صوت الدهس بالقدم بشدّة، ولكن لحسن الحظ لم يكن انفجارًا. فقد كانت حساباته دقيقة.
من خلال ذلك الانفجار المغناطيسي الطفيف، وسلسلة مماثلة لذلك الانفجار لحقت به في الشتاء الماضي، كشف الباحثون في المختبر الوطني للحقول المغناطيسية المكثفة (LNCMI) في تولوز، فرنسا، عن خاصية أساسية من خواص الكريستالة المستخدمة، و هي عبارة عن سيراميك أسود لامع في فئة مواد تدعى النحاسات (cuprates)، وهي أعلى المواد فائقة التوصيلية التي نعرفها. تقدم لنا النتائج التي نشرت اليوم في مجلة «الطبيعة Nature»، فكرة كبيرة عن خواص النحاسات الرئيسية وكيفية عملها من الداخل، ويمكن أن تساعد العلماء على فهم كيفية سماح هذه المواد للكهرباء بالتدفق بحرية في درجات حرارة عالية نسبيًا.
«الأمر مذهل للغاية من الناحية الفنية»، قال جى سي شيموس ديفيس، وهو عالم فيزياء تجريبية معين في جامعة كورنيل، جامعة سانت أندروز في إسكتلندا ومختبر بروكهافن الوطني، والذي لم يشارك في التجربة، «الورقة البحثية تمثل تحفة فنية».
قاد الفريق التجريبي اثنان من علماء LNCMI المتخصصين في هذا المجال، هم سيريل بروست ولويس تايفييه من جامعة شيربروك في كندا. و قام الفريق باستخدام مغناطيس قوته 90 تسلا – الذي يخلق مجالًا مغناطيسيًا تزيد قوته تقريبًا 2 مليون مرة عن المجال المغلف للأرض – لتجريد النحاسات من التوصيلية الفائقة للحظات قليلة. وقد كشف ذلك تفاصيل المرحلة الكامنة التي يبدو أنها سبب نشأة هذا الفعل.
و بعد إزالة الساتر، اكتشف العلماء تغيرًا حادًا في السلوك عندما بدا لهم أنها «النقطة الحرجة للكم» للنحاسات، التي تذكرنا بنقطة تجمد الماء. يقول أندريه تشوبوكوف، العالم النظري للمادة المكثفة في جامعة مينيسوتا، إنه طالما تكهن العلماء النظريون بأن مثل هذه النقطة الحرجة للكم قد تكون موجودة، وإنها يمكن أن تلعب دورًا رئيسيًا في التوصلية الفائقة. ويضيف تشوبوكوف، «طرح الفكرة مختلف تمامًا عن تطبيقها بشكل عملي».
الموصلية الفائقة هي الظاهرة التي تحدث عندما تتدفق الكهرباء دون مقاومة من المواد التي تنتقل عن طريقها، بحيث لا تضيع الطاقة في هذه العملية. ويحدث ذلك عندما تتحد الإلكترونات (حاملات الشحنة السالبة للكهرباء) لتشكيل أزواج، وتحقيق التوازن لخصائصها بطريقة تتيح لجميع تلك الإلكترونات التحرك في انسجام تام. المرحلة التي تحدث فيها هذه العملية حساسة للغاية، والتي تحدث عادة عندما يتم تبريد المواد لدرجات حرارة متدنية جدًا. يقول الخبراء أن نقل الطاقة الكهربائية بدون ضياعها سوف يقلل كثيرًا من استهلاك الطاقة العالمي إذا كان من الممكن أن تتم هندسة الأسلاك لتكون موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة، وسينقلنا إلى مجموعة جديدة من التكنولوجيات، مثل المركبات المرفوعة مغناطيسيًا وأنظمة تنقية المياه الرخيصة.
تكون القوة الدافعة للموصلية الفائقة في أقوى حالاتها على الإطلاق في النحاسات. كما اكتشف الباحثان جورج بدنورز وكاي ألكسندر مولر من شركة آي بي إم في عام 1986 (في العمل الذي حصلوا به على جوائز نوبل في العام التالي)، أن النحاسات موصلات فائقة في درجات حرارة أعلى بكثير من غيرها من المواد، مما يشير إلى أن الإلكترونات يتم تزاوجها بطريقة مختلفة وبغراء أقوى. لكن ما زلنا نحتاج إلى تبريد النحاسات إلى 100 درجة مئوية تحت الصفر حتى تصبح فائقة التوصيل الكهربي. يجب تعزيز هذا الغراء بين الإلكترونات إذا أردنا أن نرفع درجة الحرارة أكثر. وقد تساءل العلماء لمدة 30 عامًا: ما هو الغراء – أو بتعبير أدق، ما هو التفاعل ميكانو-كمي بين الإلكترونات، الذي يؤدي إلى تكون الموصلية الفائقة في النحاسات؟.
في حين أن اكتشاف نقطة حرجة للكم لا يجيب بشكل قاطع على هذا السؤال، «و لكنه أوضح لنا طبيعة الوضع»، حسبما قال سوبير ساشديف، أحد العلماء النظريين الرواد في المادة المكثفة في جامعة هارفارد. يخرج هذا الاكتشاف عدة مقترحات، لتفسير الغراء بين إلكترونات، من المنافسة. وأضاف ساشديف: «يوجد الآن احتمالان بارزان لما يحدث».
ستدخل إحدى الأفكار المرشحة، إذا تم التحقق منها، إلى التاريخ العلمي كظاهرة كمّية جديدة تمامًا، بطريقة غريبة يحبها العلماء النظريون. ولكن إذا كان التفسير الآخر الأكثر تقليدية للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية صحيحًا، فإنه وفقًا لديفيس، سيعرف العلماء على الفور بالضبط كيفية تعزيز التأثير. وفي هذه الحالة، في إطار السعي نحو الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة، يقول ديفيس، «إن طريق المضي قدمًا سيكون واضحًا».
تحت القُبة
بدأ بروست، تايفييه والمتعاونين معهما منذ ثماني سنوات في شق طريقهم إلى وسط «رسمة المراحل» للنحاسات، و هي خريطة تمثل خليطًا من المراحل المختلفة التي أظهرتها المواد مع تغير خصائصها.
نستطيع أن نفهم أقصى اتجاهات الرسمة: بلورات النحاسات النقية – و هي على الجانب الأيسر من الرسم البياني – بمثابة العوازل، في حين أن النحاسات التي تم تنشيطها بالعديد من الإلكترونات الإضافية أو «الثقوب» (عُجوزات من الإلكترونات تتصرف مثل الجسيمات المشحونة إيجابيًا)، تكون على الجانب الأيمن من الرسم، وتتصرف مثل المعادن. «والسؤال الأساسي الكبير»، وفق تايفييه، هو «كيف يمكن للنظام الانتقال من كونه عازلًا إلى معدن؟». يتوه العلماء وسط خليط المراحل الذي يحدث في مستويات التنشيط الوسيطة، بما في ذلك الموصلية الفائقة، والتي ترتفع مثل القبة في وسط الرسم.
توفر لنا الرسمة فكرة: يتجه خط إلى أعلى وإلى اليسار فوق قبة الموصلية الفائقة، مقسمًا مرحلتين أخريَيْن من الحرارة العالية لهذه المادة، تمديد هذا الخط إلى الأسفل لخفض درجات الحرارة، ويصطدم بقاع قبة الموصلية الفائقة في نقطة المركز تحديدًا. شك العلماء النظريون منذ فترة طويلة في أن طبيعة هذه النقطة قد تكون المفتاح لفهم الموصلية الفائقة، والتي تبدو أنها تشكل فقاعة حولها. وقام تايفييه وبروست، الذي كان يجري آنذاك أبحاث ما بعد الدكتوراه في مختبر تايفييه، منذ خمسة عشر عامًا بالتفكير في كيفية تحقيق هذه النقطة الحرجة الممكنة. كانت المشكلة هي أن المرحلتين اللتين لوحظتا عند ارتفاع درجات الحرارة، التي بدت أنها تلتقي في هذه النقطة عند درجة حرارة الصفر المطلق، اختفتا عندما بدأت الموصلية الفائقة. ومن أجل ملاحظة ما يحدث أثناء الانتقال من مرحلة إلى أخرى، اضطر الفريق لإيجاد وسيلة لوقف الإلكترونات في النحاسات من تشكيل أزواج فائقة التوصيل بالقرب من النقطة حرجة.
للقيام بذلك، كان العلماء بحاجة إلى مغناطيس كبير. تدمر الحقول المغناطيسية الموصلية الفائقة من خلال توليد قوة معاكسة على الإلكترونات في كل زوج فائق التوصيل، وكسر تزاوجها. ولكن كلما كان غراء الاقتران في الموصل الفائق أقوى، كلما كان من الصعب كسره. «المجال المغناطيسي الذي نحتاج إليه لتدمير الموصلية الفائقة يجب أن يكون قويًّا جدًا مع النحاسيات»، قال بروست.
مغناطيس فائق القوة
تتحد قوة المغناطيس بقوة المواد التي صنع منها، الذي يجب أن يكون قادرًا على تحمل القوى الميكانيكية الهائلة الناتجة عن أمواج تسونامي من الكهرباء.
المغناطيس الـ 90 تسلا في LNCMI في تولوز يعمل عن طريق شحن 600 من المكثفات، ثم تفريغها كلها في آن واحد في ملف بحجم سلة المهملات. ويتكون الملف من سبيكة نحاس قوية جدًا مقوّاة بالزايلون، و هو من الألياف الأقوى من الكيفلار. لحوالي 10 ميلّي ثانية، يولد السيل الموجز جدًا من الكهرباء مجالًا مغناطيسيًا قويًّا يمر عبر تجويف الملف. على الرغم من أن مغناطيس LNCMI لا يمكن أن يضاهي قوة المغناطيس الـ100 تسلا في مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو، «نحن قادرون على توليد نبضة طويلة جدًا، أطول بمرتين من لوس ألاموس» ،ما سيسمح لنا بأخذ قراءات أكثر دقة، حسبما قال بيرد.
من اليسار: جيروم بييرد، ديفيد فيجنوللس، سيريل بروست وفويتشخ تابيس، وأعضاء الفريق التجريبي في المختبر الوطني للحقول المغناطيسية المكثفة في تولوز.
بينما بنى المهندسون المغناطيس، قام المتعاونون في جامعة كولومبيا البريطانية بإعداد عينات من النحاسات تسمى بأكسيد الإيتريوم والباريوم والنحاس. وقاموا بتنشيط العينات بأربعة تركيزات مختلفة من الثقوب، والتي تمتد من جانب للنقطة الحرجة الافتراضية إلى الجانب الآخر. و بينما قاموا بتبريد العينات إلى سالب 223 درجة مئوية وتعريضها لنبضات مغناطيسية لتدمير الموصلية الفائقة للحظات، قاموا بقياس خاصية للمادة، تشير إلى عدد الثقوب لكل ذرة تشارك في نقل الكهرباء. عادة، تتزايد «كثافة الناقل» هذه تدريجيًا كدالة من عملية التنشيط. ولكن في لحظة حرجة، يكون من المتوقع أن تتغير فجأة، إشارة إلى إعادة تنظيم تلقائية للإلكترونات في البلورة. وهذا ما قاسه العلماء؛ قفزة حادة تبلغ ستة أضعاف المعتاد لكثافة الناقل عند التنشيط بـ19 في المئة، و هو المكان المتوقع للنقطة الحرجة.
قال ديفيس: «من الواضح أن هناك نقطة حرجة خفية في المكان الذي حدده لويس [تايفييه]»، وقد وجد دليلًا غير مباشر على وجود هذه النقطة في عام 2014. «إنها تشير بقوة إلى فكرة أنه يوجد تغيير مفاجئ للهيكلة الإلكترونية في تلك المرحلة الحرجة».
نقطة الكم الحرجة
خلافًا لنقطة تجمد المياه، التي نصل إليها من خلال رفع أو خفض درجة حرارة الماء، فإن النقطة الحرجة في النحاسات هي «نقطة حرجة كَمّية»، أو نقطة توازن بين مرحلتي حركة ميكانو-كَمّيتين، عند درجة حرارة الصفر. وحالة الكم التي تسود إلى يسار النقطة الحرجة الكَمّية في الرسم تجعل الإلكترونات «تنتظم»، أو تترتب ضمن نمط. ويجعل التأثير الكمي الذي يسود الجزء الأيمن من الرسم الإلكترونات حرة الحركة. ولكن مع اقتراب النظام للنقطة الحرجة سواء من اليسار أو اليمين، يبدأ الترتيب في النظام في التذبذب، ما يسبب المنافسة بين الحالتين. هذه التقلبات هي التي يفترض أنها تؤدي إلى زيادة الموصلية الفائقة بالقرب من النقطة الحرجة للكم. والسؤال هو: ما نوع النظام في هذه الحالة؟.
على مدى السنوات الخمس الماضية، شكّ الباحثون في نوع نظام معروف باسم موجات كثافة الشحنة، و هي تموجات من المناطق الكثيفة و الكثيفة جدًا من الإلكترونات. ولكن التجربة الجديدة والنتائج الأخيرة التي توصلت لها مجموعة ديفيس تشير إلى أن نظام موجات كثافة الشحنة يموت عند مستويات التنشيط المنخفضة، بعيدًا جدًا إلى يسار نقطة الكم الحرجة. والآن، يبقى لنا احتمالان أساسيان.
الاحتمال الأكثر تقليدية، تم اقتراحه في أواخر الثمانينات من قبل ديفيد بينس، دوغلاس سكالابينو وعلماء نظريون آخرون، ألا و هو المغناطيسية الحديدية المضادة، وهو نوع من الأنظمة الذي تتناوب فيه الإلكترونات اتجاهات دورانها في نمط طاولة الشطرنج – أعلى، أسفل، أعلى، أسفل،.. إلخ. ينتج عن التقلبات في هذا الترتيب الشطرنجي بالقرب من نقطة الكم الحرجة انجذاب الإلكترونات التي تدور في اتجاهات معاكسة إلى بعضها البعض و تتزاوج، مما يؤدى إلى الموصلية الفائقة. وتدعم عدة ملاحظات غير مباشرة فرضية المغناطيسية الحديدية المضادة. وفقًا لتشوبوكوف، الاكتشاف الجديد هو «الحلقة المفقودة الضرورية» في تفسير المغناطيسية الحديدية المضادة، لأن من المتوقع أن يستقر هذا النظام عند نقطة الكم الحرجة.
ولكن إذا كانت المغناطيسية الحديدية المضادة الصريحة هي الجواب، لكان الفيزيائيون قاموا بحل اللغز منذ عقود. وقد حاول المجربون مرارًا وتكرارًا الكشف عن نظام المغناطيسية الحديدية المضادة في المرحلة العليا إلى اليسار في قبة الموصلية الفائقة و فشلوا- تلك المرحلة التي يفترض أنها منظمة في الجهة اليسرى من نقطة الكم الحرجة. وقال ستيفن جوليان، وهو فيزيائي تجريبي للمادة المكثفة في جامعة تورونتو، «المشكلة في النحاسات هي أنه ليس هناك أي ترتيب يمكن ملاحظته على المدى البعيد». عندما يبحث المجربون عن نمط الشطرنج، لا يعثرون عليه.
ومع ذلك، يشير المدافعون عن تفسير المغناطيسية الحديدية المضادة إلى التشكيل البلوري للنحاسات، الذي هو طبقات مكدسة من الصحائف الثنائية الأبعاد في الأساس، وإلى نظرية معروفة باسم نظرية ميرمين فاجنر من عام 1975، التي تنص على أن نظام المغناطيسية الحديدية المضادة الحقيقي بعيد المدى لا يمكن أن يكون في المواد ثنائية الأبعاد في درجات الحرارة غير الصفرية. بدلًا من ذلك، فإنه ربما يظهر أجزاء فقط من النظام، مثل أجزاء من لوحة الشطرنج، وهذه الأجزاء لا يمكن الكشف عنها مع التقنيات التجريبية الحالية. نظام المغناطيسية الحديدية المضادة طويل المدى يستقر فقط في درجات الحرارة المنخفضة، يقول مؤيدو هذه الفكرة. والمشكلة هي أن المغناطيسية الحديدية المضادة تمحى بالمرحلة التي تولدها – الموصلية الفائقة – ولذلك لا زلنا غير قادرين على ملاحظتها.
لا يعتقد الجميع أن نظرية ميرمين فاجنر ذات قيمة. يشير ديفيس إلى أنه تم الكشف عن المغناطيسية الحديدية المضادة في النحاسات غير المنشطة، والتي لها نفس الهيكل ثنائي الأبعاد. وقد أدى انعدام نظام المغناطيسية الحديدية المضاد الذي لاحظناه حتى الآن بالقرب من النقطة الحرجة ببعض الباحثين إلى التخلي عن هذه الفكرة ودعم نظرية أكثر غرابة طرحها ساشديف، الذي يستند إلى المفاهيم التي قدمها فيليب أندرسون في الثمانينات، و هو حائز على جائزة نوبل وأحد مؤسسي فيزياء المادة المكثفة. يفترض ساشديف وجود نظام ما في النحاسات لا يلاحظ وجوده في غيرها من المواد. في هذا النظام، تشكل الإلكترونات المُرَكَبات التي تمتلك أجزاء من اللف والشحنة. يزعم ساشديف أن بقايا هذا النظام، الذي كان قد أطلق عليه سائل فيرمي المجزأ أو حالة الـ(FL*)، تشكّل مقدمة للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية.
سيتطلب تحديد ما إذا كان اكتشاف نقطة الكم الحرجة الجديد يرتبط بالمغناطيسية الحديدية المضادة، أو شيء أكثر غرابة مثل (FL*)، مجددًا وجود مغناطيسات قوية. يعمل المجربون بالفعل على طرق للبحث عن نمط الشطرنج لنظام المغناطيسية الحديدية المضادة في درجات الحرارة المنخفضة، في حين تستخدم النبضات المغناطيسية للقضاء على الموصلية الفائقة التي تنتج هناك. «كل هذه الأمور سوف تحدث الآن» قال تايفييه. «يتضح بقوة أنه نظام مغناطيسي [حديدي مضاد] في تلك المرحلة الحرجة، و أن هذا هو السؤال الذي نحتاج إلى الإجابة عليه».
إذا تبين لنا أن المغناطيسية الحديدية المضادة هي الغراء بين الإلكترونات المتزاوجة، فسوف يتجه العلماء النظريون على الفور إلى محاولة تحديد سبب قوة الغراء الفائقة في هذه المواد عن غيرها، أملًا في زيادة تعزيز ذلك الغراء. أما (FL*) من ناحية أخرى، فإنه بإمكانه توفير وجهات نظر مختلفة تمامًا للعلماء النظريين. وفي كلتا الحالتين، فإن الكثيرين متفائلون بأنهم على الطريق الصحيح لرفع درجات الحرارة في الموصلات الفائقة. وقال جوليان: «لا أعتقد أنه يوجد من يعتقد بوجود حد أساسي لهذا» الذي يمنع الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة. «كل الموضوع هو كم من الوقت سيستغرق منا للوصول إلى هذا. يعتقد البعض أنه قاب قوسين أو أدنى، البعض الآخر يعتقدون أن الأمر سوف يستغرق وقتًا طويلًا للغاية».