تعريف الموصلات الفائقة وأنواعها واستخداماتها

الموصل الفائق هو عنصر أو سبيكة معدنية ، عندما يتم تبريدها تحت درجة حرارة معينة ، تفقد المادة بشكل كبير كل المقاومة الكهربائية. من حيث المبدأ ، يمكن أن تسمح الموصلات الفائقة التيار الكهربائي للتدفق دون أي فقدان للطاقة (على الرغم من أنه يصعب في الواقع إنتاج موصل فائق مثالي). هذا النوع من التيار يسمى التيار الفائق.

درجة حرارة العتبة التي يتم دونها تحويل مادة إلى حالة فائقة التوصيل تسمى ت_ج، والتي تعني درجة الحرارة الحرجة. لا تتحول جميع المواد إلى موصلات فائقة ، والمواد التي لكل منها قيمة خاصة بها ت_ج.

• النوع الأول من الموصلات الفائقة تعمل كموصلات في درجة حرارة الغرفة ، ولكن عندما تبرد أدناه ت_جتقلل الحركة الجزيئية داخل المادة بما يكفي لتحرك تدفق التيار دون عوائق.
• الموصلات الفائقة من النوع 2 ليست موصلات جيدة بشكل خاص في درجة حرارة الغرفة ، والانتقال إلى حالة الموصل الفائق أكثر تدريجيًا من الموصلات الفائقة من النوع 1. الآلية والأساس المادي لهذا التغيير في الحالة ليست مفهومة بالكامل في الوقت الحاضر. عادة ما تكون الموصلات الفائقة من النوع 2 عبارة عن مركبات معدنية وسبائك.

تم اكتشاف الموصلية الفائقة لأول مرة في عام 1911 عندما تم تبريد الزئبق إلى ما يقرب من 4 درجات كلفن من قبل الفيزيائي الهولندي هايك كاميرلينج أونز ، والذي حصل عليه عام 1913 جائزة نوبل في الفيزياء. في السنوات التي تلت ذلك ، تم توسيع هذا المجال بشكل كبير وتم اكتشاف العديد من الأشكال الأخرى من الموصلات الفائقة ، بما في ذلك الموصلات الفائقة من النوع 2 في الثلاثينيات.

أكسبت النظرية الأساسية للموصلية الفائقة ، BCS Theory ، العلماء ـ جون باردين ، وليون كوبر ، وجون شريفر ـ جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1972. ذهب جزء من جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1973 إلى Brian Josephson ، أيضًا للعمل مع الموصلية الفائقة.

في يناير 1986 ، قام كارل مولر ويوهانس بيدنورز باكتشاف أحدث ثورة في كيفية تفكير العلماء في الموصلات الفائقة. قبل هذه النقطة ، كان الفهم هو أن الموصلية الفائقة تتجلى فقط عندما تبرد إلى ما يقرب من الصفر المطلقولكن باستخدام أكسيد الباريوم واللانثانم والنحاس ، وجدوا أنه أصبح موصلًا فائقًا عند 40 درجة كلفن تقريبًا. بدأ هذا سباقًا لاكتشاف المواد التي تعمل كموصلات فائقة في درجات حرارة أعلى بكثير.

في العقود التالية ، كانت أعلى درجات الحرارة التي تم الوصول إليها حوالي 133 درجة كلفن (على الرغم من أنك قد تحصل على 164 درجة كلفن إذا قمت بضغط مرتفع). في أغسطس 2015 ، ذكرت ورقة نشرت في مجلة نيتشر اكتشاف الموصلية الفائقة عند درجة حرارة 203 درجة كلفن عندما تكون تحت ضغط مرتفع.

يتم استخدام الموصلات الفائقة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، ولكن بشكل خاص داخل هيكل مصادم الهادرون الكبير. الأنفاق التي تحتوي على أشعة الجسيمات المشحونة محاطة بأنابيب تحتوي على موصلات فائقة قوية. تولد التيارات الفائقة التي تتدفق عبر الموصلات الفائقة مجالًا مغناطيسيًا مكثفًا الحث الكهرومغناطيسييمكن استخدامها لتسريع وتوجيه الفريق حسب الرغبة.

بالإضافة إلى ذلك ، تظهر الموصلات الفائقة تأثير ميسنر حيث يلغون كل التدفق المغناطيسي داخل المادة ، ليصبحوا مغناطيسيين تمامًا (تم اكتشافه في عام 1933) في هذه الحالة ، تنتقل خطوط المجال المغناطيسي حول الموصل الفائق المبرد. إنها خاصية الموصلات الفائقة التي يتم استخدامها كثيرًا في تجارب الرفع المغناطيسي ، مثل القفل الكمي الذي يظهر في الرفع الكمي. وبعبارة أخرى ، إذا العودة إلى المستقبل أصبحت hoverboards أسلوب حقيقة واقعة. في تطبيق أقل دنيوية ، تلعب الموصلات الفائقة دورًا في التطورات الحديثة في قطارات الرفع المغناطيسي، والتي توفر إمكانية قوية للنقل العام عالي السرعة القائم على الكهرباء (والتي يمكن أن تكون ولدت باستخدام الطاقة المتجددة) على النقيض من الخيارات الحالية غير المتجددة مثل الطائرات والسيارات والفحم القطارات.

حررت بواسطة آن ماري هيلمينستين ، د.