تقنية "المسرّع" التي تتجاوز حدود الموصلات الفائقة
حسنًا، أحتاج أن أخبركم عن شيء مثير حقًا في عالم الفيزياء، وأعدكم بأنني سأجعله مفهومًا حتى لو لم تكن قد انتبهت في حصة الكيمياء.
الموصلات الفائقة هي ببساطة "نجوم الروك" في علم المواد. عندما تبرد مواد معينة إلى درجات حرارة شديدة البرودة (نحن نتحدث عن برودة أشد من برودة الفضاء الخارجي)، يحدث شيء سحري: تنخفض المقاومة الكهربائية إلى الصفر تمامًا. صفر! هذا يعني أن الكهرباء يمكن أن تتدفق من خلالها إلى الأبد دون فقدان أي طاقة. لا حرارة، لا هدر، فقط تدفق نقي ومثالي.
في الحالة العادية، تكون الإلكترونات مثل السائقين غير الصبورين الذين يحاولون المرور عبر طريق سريع مزدحم؛ فهي تصطدم بالذرات، وتفقد الطاقة، وتولد الحرارة، وتسبب بشكل عام ازدحامًا مروريًا. أما في الموصلات الفائقة، فتتحد الإلكترونات في أزواج تسمى "أزواج كوبر" وتبدأ في التحرك بتناغم — تمامًا مثل فرقة رقص منسقة بدقة بدلاً من راقصين فرديين فوضويين.
إليكم المشكلة
ومع ذلك، فإن لهذه الموصلات الفائقة نقطة ضعف. هناك حد معين للتيار الكهربائي الذي يمكنها تحمله قبل أن تخرج الأمور عن السيطرة. يطلق العلماء على هذا "التيار الحرج" — فكر فيه على أنه أقصى عبء عمل يمكن للمادة تحمله قبل أن تبدأ في المعاناة.
في معظم الحالات، لا تفشل الموصلات الفائقة بسبب حد فيزيائي أساسي، بل تفشل بسبب شيء يسمى الدوامات (vortices) — وهي مناطق صغيرة تتسلل من خلالها المجالات المغناطيسية عبر المادة. عندما تضخ الكثير من التيار، تبدأ هذه الدوامات في التحرك، مما يخلق احتكاكًا وحرارة، وفي النهاية ينهار النظام بأكمله.
الأمر يشبه امتلاك حلبة تزلج جليدية ناعمة تمامًا، باستثناء أن شخصًا ما قد نثر مجموعة من البقع اللزجة التي تبطئ حركتك عندما تتحرك بسرعة كبيرة.
الحل الذكي
هنا يأتي الجزء الممتع (والمقصود هنا هو التلاعب بالكلمات).
قرر فريق في معهد ماكس بلانك لهيكل وديناميكيات المادة "الغش"؛ فبدلاً من دفع التيار ببطء عبر الموصل الفائق، أطلقوا عليه نبضات كهربائية قصيرة للغاية — نحن نتحدث عن البيكو ثانية. والبيكو ثانية هو جزء من تريليون من الثانية. وللعلم، فإن رمشة العين تحتوي على حوالي 30 تريليون بيكو ثانية.
المنطق؟ الدوامات لا يمكنها التحرك إلا بسرعة محدودة (عشرات الكيلومترات في الثانية)، وفي البيكو ثانية، تكاد لا تتحرك — نحن نتحدث عن مسافات لا تتعدى النانومترات. ومن خلال تقديم النبضة الكهربائية في هذه النافذة الزمنية الضئيلة، استطاع الباحثون رفع التيار إلى مستويات قصوى قبل أن تجد الدوامات وقتًا لإحداث المشاكل.
تصف "إيرين وانغ"، المؤلفة الرئيسية، الأمر بدقة: "كانت استراتيجيتنا هي التفوق على ديناميكيات الدوامات بالسرعة".
الأمر يشبه أن تتمكن من الركض عبر حقل ألغام بسرعة كبيرة لدرجة أن الألغام لا تجد وقتًا لتنفجر. أنت تقنيًا لا تزال تسير عبر نفس المساحة الخطرة، لكنك ببساطة لا تعطي العوائق فرصة لتنشط.
مادتان، وشخصيتان مختلفتان تمامًا
اختبر الباحثون موصلين فائقين مختلفين لمعرفة كيفية استجابتهما لهذا النهج فائق السرعة: NbN و YBCO.
تصرف الـ NbN كشخص لديه نقطة انهيار واضحة جدًا؛ فقد ظل فائق التوصيل حتى حد معين — ثم فجأة وبشكل دراماتيكي، توقف. لقد تحطمت أزواج كوبر دفعة واحدة تقريبًا. كان فشلاً حادًا وحاسمًا، مثل حبل ينقطع أخيرًا تحت ضغط شديد.
أما الـ YBCO، فكان الأمر بالنسبة له عبارة عن تراجع تدريجي؛ حيث ضعفت موصليته الفائقة تدريجيًا مع زيادة التيار. ويرجع ذلك إلى أن الـ YBCO يمتلك بنية داخلية أكثر تعقيدًا — فخصائصه فائقة التوصيل تختلف اعتمادًا على الاتجاه الذي تقيسها منه، تمامًا مثل كيفية كون الخشب أقوى على طول الألياف منه عكس اتجاهها.
لماذا يهمنا هذا؟
إليكم الجزء المذهل حقًا: باستخدام هذه النبضات فائقة السرعة، يمكن للعلماء الآن الوصول إلى الحدود الأساسية الحقيقية للموصلية الفائقة — ما يسمونه "تيار فك الارتباط" (depairing current). وهذه هي النقطة التي تبدأ فيها أزواج كوبر نفسها في التفكك، وليس فقط النقطة التي تسبب فيها الدوامات مشاكل.
فهم هذا قد يؤدي إلى موصلات فائقة أفضل لجميع أنواع التطبيقات: أجهزة رنين مغناطيسي (MRI) أكثر قوة، حواسيب كمومية أسرع، خطوط نقل طاقة أكثر كفاءة، وحتى قطارات مغناطيسية (maglev) تطفو على مجالات مغناطيسية.
نحن لا نقوم فقط بدفع المواد الموجودة إلى أقصى حدودها، بل نحن نكتشف فيزياء جديدة تمامًا كانت مختبئة بعيدًا عن متناول أيدينا.
وبصراحة؟ هذا أمر مثير للغاية.
المصدر: ScienceDaily