اكتشف الفيزيائيون آلية غامضة مسؤولة عن ارتفاع درجات الحرارة الموصلية الفائقةوقد يساعد في البحث عن أحد “الكأس المقدسة” في الفيزياء.
يحدد الاكتشاف الجديد، الذي يسمى الموصلية الفائقة المتذبذبة، عملية تمكن المواد من التوصيل الفائق عند درجات حرارة أعلى من المعتاد – مما يمهد الطريق لاكتشاف مواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة تسهل نقل الطاقة دون فقدان. نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في 11 يوليو في المجلة رسائل المراجعة البدنية.
“أحد كتب الفيزياء المقدسة الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة إنه عملي بما فيه الكفاية لتطبيقات الحياة اليومية. لويس سانتوسأستاذ مساعد في الفيزياء في جامعة إيموري، قال في بيان. “هذا التقدم يمكن أن يغير شكل الحضارة.”
متعلق ب: سيتم اختبار محركات الدفع المغناطيسية فائقة التوصيل الجديدة في المحطة الفضائية
تنشأ الموصلية الفائقة من التموجات التي تحدث عندما تتحرك الإلكترونات عبر المادة. عند درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية، تتسبب هذه التموجات في انجذاب النوى لبعضها البعض، مما يؤدي إلى ظهور شحنة كهربائية صغيرة تجذب الإلكترون الأول.
تسبب قوة التجاذب هذه شيئًا غريبًا: بدلًا من تنافر الإلكترونات مع بعضها البعض من خلال التنافر الكهروستاتيكي، فإنها ترتبط ببعضها البعض على شكل “أزواج كوبر”.
تتبع أزواج كوبر بشكل مختلف ميكانيكا الكم القواعد بدلا من الإلكترونات الفردية. فبدلاً من تشكيل أغلفة طاقة تتكدس فوق بعضها البعض، فإنها تتصرف مثل جزيئات الضوء، التي يمكن لعدد لا حصر له منها أن يشغل نفس النقطة في الفضاء في نفس الوقت. عندما يتم إنشاء ما يكفي من أزواج كوبر هذه في جميع أنحاء المادة، فإنها تصبح سائلة فائقة وتتدفق دون فقدان قوة المقاومة الكهربائية.
تحولت الموصلات الفائقة الأولى، التي اكتشفها الفيزيائي الهولندي هيك كامرلينج أونيس في عام 1911، إلى حالة المقاومة الصفرية عند درجات حرارة باردة لا يمكن تصورها – قريبة من الصفر المطلق (ناقص 459.67 درجة فهرنهايت أو سالب 273.15 درجة مئوية). ومع ذلك، في عام 1986، اكتشف الفيزيائيون نوعًا آخر من المواد يسمى النحاسات، والذي يصبح موصلًا فائقًا عند درجة حرارة أكثر سخونة (ولكنها لا تزال باردة) -211 فهرنهايت (-135 درجة مئوية).
كان الفيزيائيون يأملون أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى اكتشاف الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة، مما سيفتح الباب أمام نقل الكهرباء دون فقدان. ومع ذلك، تباطأت الاكتشافات، وانتهت الادعاءات الأخيرة بوجود موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة فساد و خيبة الامل.
حتى الآن، يرجع الفشل في اكتشاف الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة والضغط المحيط إلى عدم فهم الفيزيائيين للظروف النظرية التي تسمح للإلكترونات بتكوين أزواج كوبر في درجات حرارة عالية نسبيًا (حوالي ثلاث مرات أقل من درجات حرارة التجمد القياسية).
للتحقيق في هذا الأمر، ركز الباحثون في الدراسة الجديدة على شكل محدد من الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية والتي تحدث عندما تنتظم أزواج كوبر في أنماط متذبذبة تسمى موجات كثافة الشحنة. العلاقة بين الموجات، والرقص المتزامن بين الكتلة بين الإلكترونات المرتبطة عبر مادة ما، لها علاقة معقدة بالموصلية الفائقة: في بعض الحالات، تطغى الموجات على التأثير، بينما في حالات أخرى، تساعد في ربط الإلكترونات معًا.
ومن خلال نمذجة هذه الموجات، اكتشف الفيزيائيون أن مفتاح ظهور الموجات هو خاصية تسمى تكامل فان هوف. بشكل عام، في الفيزياء، ترتبط طاقة الجسيم المتحرك بالسرعة التي يتحرك بها.
لكن بعض الهياكل المادية تتحدى هذه القاعدة، مما يتيح للإلكترونات ذات السرعات المختلفة أن تكون لها نفس الطاقة. عندما تكون طاقات الإلكترونات متساوية، يمكنها بسهولة تكوين أزواج كوبر التي ترقص معًا.
وقال سانتوس: “لقد اكتشفنا أن الهياكل التي تسمى متفردات فان هوف يمكن أن تخلق حالات تعديل ومتذبذبة من الموصلية الفائقة”. “يوفر عملنا إطارا نظريا جديدا لفهم أصول هذا السلوك، وهي ظاهرة ليست مفهومة جيدا.”
يصر الفيزيائيون على أن عملهم، حتى الآن، نظري بحت، مما يعني أن هناك حاجة إلى المزيد من الجهود التجريبية لاستخلاص الآلية الأساسية. ومع ذلك، من خلال إنشاء أساس بين تفرد فان هوف وموجات الرقص، يعتقدون أنهم اكتشفوا علاقة يمكن للفيزيائيين الآخرين البناء عليها.
وقال سانتوس: “أظن أن كامرلينج أونيس كان يفكر في التحليق أو مسرعات الجسيمات عندما اكتشف الموصلية الفائقة”. “لكن كل ما نتعلمه عن العالم له تطبيقات محتملة.”
“متعصب التلفزيون. مدمن الويب. مبشر السفر. رجل أعمال متمني. مستكشف هواة. كاتب.”
More Stories
هل يمكن أن يختبئ الفضائيون في حلقات زحل أو المشتري؟
كيف بدأ نبض مغناطيسي خافت التطور قبل 600 مليون سنة
بوينغ تؤجل إطلاق رائد الفضاء لأول مرة بسبب مشكلة في الصمام | اخبار العالم