التوصيل الفائق Superconductivity، هي ظاهرة تحدث في بعض المواد عند تبريدها لدرجات حرارة منخفضة جدا، حيث تسمح الموصلات الفائقة بمرور الكهرباء خلالها دون أي مقاومة كهربية.

إن المقاومة الكهربية للموصلات المعدنية تنخفض تدريجيا مع انخفاض درجة الحرارة، وفي حالة الموصلات العادية كالنحاس أوالفضة فإن الشوائب الموجودة في المادة تساعد على الوصول لحد أدنى من المقاومة على درجات الحرارة المنخفضة ولكن حتى على ما يقارب درجة الصفر المطلق فإن عينة من النحاس مثلا لا يمكن حتى تتوصل لدرجة ممانعة تساوي الصفر. أما في حالة الموصلات الفائقة فإن الممانعة تنخفض على نحومفاجيء إلى الصفر عندما يتم تبريد المادة إلى درجة حرارة أقل من الدرجة الحرجة لهذه المادة، غالبا 20 كلفن أوأقل.

ففي حالة التوصيل المطلق يمكن لتيار كهربائي يمر في حلقة من مادة فائقة التوصيل حتى يستمر في السريان إلى وقت نحوغير محدود وبدون وجود مصدر للطاقة. وتعد ظاهرة التوصيل الفائق ظاهرة ميكانيكا كمية ولا يمكن فهما على أساس أنها تجسيد لظاهرة الموصل المثالي ضمن إطار الميكانيكا الكلاسيكية.

وتحدث حالة التوصيل الفائق في تشكيلة واسعة من المواد مثل: المواد الخفيفة كالقصدير والألمنيوم، والسيراميك والسبائك الثقيلة، وبعض أشباه الموصلات ولكن لا يمكن خلق موصلات فائقة من المعادن النبيلة كالمضى والفضة، ولا من المعادن الفرومفناطيسية.

تعريف

الموصلية الفائقة، 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 جميع 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.

تفسير وجود حالة الناقلية الفائقة

إن مصدر المقاومة الكهربائية في المعادن هوتصادم الإلكترونات الحرة سواء مع الشبكة البلورية أم مع العيوب والشوائب (إذ يؤدي ذلك إلى استقرار المقاومة النوعية على قيمة دنيا لا تتعلق بدرجة الحرارة)، وإن ما يُشعر بوجود المقاومة هوتغيّر متجه اندفاع الإلكترون بعد جميع تصادم. أما في حالة الناقلية الفائقة فإن الإلكترونات تترابط فيما بينها لتشكل أزواجاً من الإلكترونات تدعى أزواج كوبر Cooper pairs؛ إذ إذا تشكل هذه الأزواج يخفض من طاقة هذه الإلكترونات. قد يظهر غريباً حتى يترابط إلكترونان يحملان شحنة كهربائية من النوع نفسه، ولكن بما حتى الإلكترونات تسبح ضمن شبكة بلورية فيمكن فهم هذا التزاوج كما يأتي: عند مرور الإلكترون ضمن الشبكة البلورية يولد اضطراباً ضمن هذه الشبكة ويؤدي هذا الاضطراب إلى توليد فونون (كمّ اهتزاز الشبكة) يمتصه إلكترون آخر.

يمكن فهم انعدام المقاومة في إطار هذه النظرية على أنه ناتج من حتى 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 ويعود الجسم إلى حالته الطبيعية.

وضعت هذه النظرية من قبل جون باردين John Bardeen وليون كوبر Leon Cooper وجون 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.

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 لفهم 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 حتى نجح في تمييع الهليوم عام 1908 تمكن من الحصول على درجة حرارة من رتبة كلفن واحد (فهماً أنّ (s273º K= 0ºC، ولاحظ حتى المقاومة النوعية للزئبق تنخفض بجوار s4ºK بصورة مفاجئة وسريعة إلى قيمة لا يمكن قياسها. وبعد الدراسة عثر حتى 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 حتى كلاً من الرصاص والقصدير يَطردان الحقل المغنطيسي كلياً إلى الخارج عند عبورهما إلى حالة الناقلية الفائقة...

وقد طوَّر النظرية الحديثة للتوصيل الفائق ثلاثة من فهماء 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 حتى طرد الحقل يحصل سواء تمّ تبريد العيّنة بوجود حقل مغنطيسي أم من دونه، أي إذا الوصول إلى هذه الحالة لا يتعلق بالطريق المسلوك، مما يعني حتى 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 وجسم 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 هوYBa2Cu3O7-x وهويعبر إلى حالة الناقلية الفائقة عند درجة حرارة من رتبة º90K. لفهم أهمية هذا الاكتشاف يجب تذكّر حتى كلفة الحصول على الآزوت السائل أرخص بكثير من كلفة الحصول على الهليوم السائل؛ لكون الآزوت الغازي متوافراً في الهواء.

وفي عام 1986م أعرب 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، وهوأعلى تكلفة وأصعب في التعامل من النيتروجين السائل.

وفي عام 2001، أعرب الباحثون حتى ثنائي بوريد المغنسيوم (MgBr2) يصبح فائق التوصيل عند درجة الحرارة -234°م، أي أعلى بنحو20°م من أي مركب فلزي آخر. كما أعرب الباحثون في العام نفسه حتى البلورة التي تحتوي على كرات الكربون وثلاثي بروميد المثيل (CHBr3) تصبح فائقة التوصيل عند درجة حرارة -156°م. وتعهد كرات الكربون باسم بكمنسترفولرين أوكرات بكي، وتحتوي جميع 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.

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 فهماء 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 يحدث التوصيل الفائق مفيدًا لتوصيل الكهرباء. فخطوط القدرة المصنوعة من المواد فائقة التوصيل يمكن حتى تحمل تيارًا عبر مسافات بعيدة دون فقدان أي قدرة بسبب المقاومة الكهربائية. وخطوط القدرة هذه يمكن حتى توفِّر كميات كبيرة من الطاقة. وإضافة إلى ذلك، فهي تسهل اختيار مناطق لمحطات القدرة بحيثقد يكون تأثير تلك المحطات على الناس وعلى البيئة قليلاً.

وهنالك الكثير 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

${\displaystyle \nabla ^{2 \mathbf {H =\lambda ^{-2 \mathbf {H \,$

حيث H هي المجال المغناطيسي وλ هوعمق اختراق لندن.

هذه المعادلة، المعروفة بإسم معادلة لندن، تتسقط المجال المغناطسي في موصل فائق decays exponentially from whatever value it possesses at the surface.

عزم لندن

نظريات الموصلية الفائقة

الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية

In February 2008, an iron-based family of high temperature superconductors was discovered. Hideo Hosono, of the Tokyo Institute of Technology, and colleagues found lanthanum oxygen fluorine iron arsenide (LaO_1-xF_xFeAs), an oxypnictide that superconducts below 26 kelvins. Subsequent research from other groups suggests that replacing the lanthanum in LaO_1-xF_xFeAs with other rare earth elements such as cerium, samarium, neodymium and praseodymium leads to superconductors that work at 52 K. Experts hope that having another family to study will also lead to a theory of the cuprate superconductors.

التصنيف

التطبيقات

تستعمل الموصلات الفائقة في خلق مغناطيسات كهربائية قوية جدا كتلك المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وتلك المستخدمة في مسرعات الجزيئات، كما تستخدم الموصلات الفائقة في خلق الدارات الكهربائية الرقمية وفلاتر المايكروويف في محطات الإرسال للهواتف الخلوية وفي الكثير من التطبيقات الكهربائية والفهمية.

كما تُستخدم من أجل ذلك كبلات من سبيكة النيوبيوم ـ تيتان الموضوعة ضمن حافظة من النحاس (ذلك لأنه لايمكن خلق 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 بكيفية التجاوب (الرنين) المغنطيسي ، وإن استخدام الكبلات ذات الناقلية الفائقة يصغِّر من حجم المغانط الكهربائية ويسهل عملها واستخدامها.

أما بالنسبة إلى نقل الطاقة الكهربائية ـ وهوالحلم 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 حتى 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 النموالاقتصادي.

كما حتى هناك تطبيقات أخرى تعتمد على ما يدعى بالسكويد.

تعهد وصلة جوزيفسون بأنها تتألف من طبقتين من مادة ذات ناقلية فائقة (من معدن النيوبيوم على الأغلب) تفصل بينهما طبقة عازلة سماكتها منعشرة حتى 100 نانومتر. وإذا وُضعت وصلتا جوزيفسون على التسلسل ينشأ ما يدعى بالسكويد SQUID وهوجهاز 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 أبرز 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.

المواد ذات الناقلية الفائقة

يمكن التمييز بين نوعين من المواد ذات الناقلية الفائقة، وذلك بحسب سلوكها عند تعرضها لحقل مغنطيسي:

يتميز النوع الأول type I superconductor بأنه عند تعرضه لحقل مغنطيسي يطرده إلى الخارج إلى حتى 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 حدثا ارتفعت شدة الحقل إلى حتى 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 فهم 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.

مرئيات

طالع أيضاً

هامش

المراجع

• مسقط 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 (1^nd ed. ed.). Springer Series in Materials Science , Vol. 110. ISBN  Check |isbn= value: invalid character (help).CS1 maint: extra text (link)
• 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 (2^nd ed. ed.). Dover Books on Physics. ISBN  Check |isbn= value: invalid character (help).CS1 maint: extra text (link)
• Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4^th ed. ed.). W. H. Freeman. ISBN .CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: extra text (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