النسخة الأصلية ل هذه القصة ظهرت في مجلة كوانتاه.
في عام 2024، تم اكتشاف الموصلية الفائقة – تدفق التيار الكهربائي بدون مقاومة – في ثلاث مواد متميزة. هناك حالتان توسعان فهم الكتب المدرسية لهذه الظاهرة. والثالث يقطعها بالكامل. قال أشفين فيشواناث، عالم الفيزياء في جامعة هارفارد والذي لم يشارك في الاكتشافات: “إنه شكل غير عادي للغاية من الموصلية الفائقة، وكان الكثير من الناس يقولون إنه غير ممكن”.
منذ عام 1911، عندما رأى العالم الهولندي هايك كامرلينج أونيس اختفاء المقاومة الكهربائية لأول مرة، أسرت الموصلية الفائقة الفيزيائيين. هناك سر خالص حول كيفية حدوث ذلك: تتطلب هذه الظاهرة أن تقترن الإلكترونات، التي تحمل تيارًا كهربائيًا. تتنافر الإلكترونات مع بعضها البعض، فكيف يمكن أن تتحد؟
ثم هناك الوعد التكنولوجي: لقد مكنت الموصلية الفائقة بالفعل من تطوير آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ومصادمات الجسيمات القوية. إذا تمكن الفيزيائيون من الفهم الكامل لكيفية ظهور هذه الظاهرة ومتى، فربما يتمكنون من هندسة سلك فائق التوصيل للكهرباء في الظروف اليومية، وليس حصريًا عند درجات حرارة منخفضة، كما هو الحال حاليًا. وربما تتبع ذلك تقنيات تغير العالم، مثل شبكات الطاقة التي لا تفقد الطاقة، والمركبات التي ترفع مغناطيسيا.
أدت موجة الاكتشافات الأخيرة إلى تفاقم لغز الموصلية الفائقة وزيادة التفاؤل. قال ماثيو يانكويتز، عالم الفيزياء في جامعة واشنطن: “يبدو أن الموصلية الفائقة موجودة في كل مكان في المواد”.
تنبع هذه الاكتشافات من ثورة حديثة في علم المواد: جميع الحالات الثلاث الجديدة للموصلية الفائقة تنشأ في أجهزة تم تجميعها من صفائح مسطحة من الذرات. تعرض هذه المواد مرونة غير مسبوقة؛ وبلمسة زر واحدة، يستطيع الفيزيائيون تبديلها بين السلوكيات الموصلة والعازلة والسلوكيات الأكثر غرابة، وهو شكل حديث من الكيمياء التي عززت عملية البحث عن الموصلية الفائقة.
ويبدو الآن أنه من المرجح بشكل متزايد أن الأسباب المتنوعة يمكن أن تؤدي إلى ظهور هذه الظاهرة. تمامًا كما تطير الطيور والنحل واليعسوب باستخدام هياكل أجنحة مختلفة، يبدو أن المواد تربط الإلكترونات معًا بطرق مختلفة. حتى عندما يناقش الباحثون بالضبط ما يحدث في مختلف المواد ثنائية الأبعاد المعنية، فإنهم يتوقعون أن حديقة الحيوانات المتنامية من الموصلات الفائقة ستساعدهم على تحقيق رؤية أكثر عالمية لهذه الظاهرة الجذابة.
اقتران الإلكترونات
تم أخيرًا حل حالة ملاحظات كامرلينج أونز (والتوصيل الفائق الذي شوهد في معادن أخرى شديدة البرودة) في عام 1957. اكتشف جون باردين، وليون كوبر، وجون روبرت شريفر أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، تهدأ الشبكة الذرية المتوترة للمادة، وبالتالي أكثر تأتي التأثيرات الدقيقة. تقوم الإلكترونات بسحب البروتونات بلطف في الشبكة، وتسحبها إلى الداخل لتكوين فائض من الشحنة الموجبة. يمكن لهذا التشوه، المعروف باسم الفونون، أن يسحب إلكترونًا ثانيًا، مكونًا “زوج كوبر”. يمكن لأزواج كوبر أن تجتمع معًا في كيان كمي متماسك بطريقة لا تستطيع الانتخابات المنفردة القيام بها. ينزلق الحساء الكمي الناتج دون احتكاك بين ذرات المادة، مما يعيق التدفق الكهربائي عادة.
لقد أكسبتهم نظرية باردين وكوبر وشرايفر حول الموصلية الفائقة القائمة على الفونون جائزة نوبل في الفيزياء عام 1972. ولكن تبين أن هذه ليست القصة بأكملها. في ثمانينات القرن العشرين، وجد الفيزيائيون أن البلورات المملوءة بالنحاس والتي تسمى النحاسيات يمكن أن تكون موصلة بشكل فائق في درجات حرارة أعلى، حيث تغسل الاهتزازات الذرية الفونونات. وتبع ذلك أمثلة أخرى مماثلة.
