تعتبر الموصلات الفائقة موادًا استثنائية تُسمح لتدفق التيار الكهربائي بدون مقاومة، مما يجعلها ذات قيمة عالية في تطبيقات مثل نقل الطاقة بكفاءة، وتخزين الطاقة، وأنظمة الرفع المغناطيسي، وأجهزة الحاسوب الكمية. ولكن، Historically, كانت الموصلات الفائقة تتطلب درجات حرارة منخفضة جدًا لتحقيق هذه الخصائص، وهو ما يحد من استخدامها العملي في مجالات عديدة.

ومع ذلك، أحدثت الاكتشافات الأخيرة في موصلات الهيدروجين نقلة نوعية حيث رُصدت ظاهرة الموصلية الفائقة في مركب كبريتيد الهيدروجين (H₃S) عند درجة حرارة تبلغ 203 كلفن (-70 درجة مئوية) وفي مركب دكاهيدريد اللانثانيوم (LaH₁₀) عند 250 كلفن (-23 درجة مئوية). وهاتان الدرجة ترتفعان بشكل ملحوظ عن درجات الحرارة التقليدية للموصلات الفائقة، مما يمنح الأمل في تحقيق موصلية فائقة عند درجات حرارة الغرفة.

فهم الفجوة الموصلية: بُعد حيوي

تعتبر الفجوة الموصلية خاصية جوهرية تسلط الضوء على كيفية تكوين الإلكترونات لحالة الموصلية الفائقة. تمثل هذه الفجوة ارتباط الإلكترونات داخل المادة وتقف كعلامة مميزة تفصل بين الموصلات الفائقة والمعادن العادية. لذا، فإن قياس الفجوة الموصلية أمر حيوي لفهم كيفية فعلية حدوث الموصلية الفائقة، وآلية اختفاء المقاومة.

التحديات في قياس الموصلات الفائقة الهيدروجينية

رغم الأهمية الكبيرة لهذه المواد، كانت دراسة الموصلات الفائقة الغنية بالهيدروجين مثل H₃S صعبة للغاية، إذ إن هذه المواد تتطلب ضغوطًا هائلة تتجاوز الضغط الجوي بأكثر من مليون مرة. ونتيجة لهذه الظروف القاسية، لا يمكن استخدام تقنيات القياس المعروفة مثل الطيفية باستخدام النفق الضوئي أو الطيفية المبعثرة ذات الزاوية.

نتيجة لذلك، ظلت الفجوة الموصلية في هذه المواد غير مقاسة، مما أفقد العلماء فهماً عميقاً لظاهرة الموصلية الفائقة في المركبات الغنية بالهيدروجين.

تقنية جديدة تكسر الحواجز

للتغلب على هذه العقبة، طور باحثون في معهد ماكس بلانك في ماينز تقنية جديدة تُسمى الطيفية باستخدام النفق الإلكتروني، التي تعمل تحت هذه الظروف الشديدة. هذه الطريقة الجديدة مكّنت الفريق من الكشف عن الفجوة الموصلية في H₃S للمرة الأولى.

وباستخدام هذه التقنية، حصل الباحثون على رؤية واضحة لحالة الموصلية الفائقة في المواد الغنية بالهيدروجين، متغلبين على عائق حال دون تحقيق تقدم في هذا المجال لسنوات.

الكشف عن نتائج القياسات

أظهرت النتائج أن H₃S يمتلك فجوة موصلية مفتوحة تمامًا بحوالي 60 ميلي إلكترون فولت (meV)، بينما نظيره بالديتيريوم D₃S أظهر فجوة أصغر تبلغ حوالي 44 ميلي إلكترون فولت. يُعتبر هذا الفرق مهمًا من حيث تأكيد أن الموصلية الفائقة في H₃S مدفوعة بتفاعلات الإلكترونات والفونونات، وهي اهتزازات متقطعة لشبكة الذرات في المادة. تدعم هذه النتائج التنبؤات النظرية طويلة الأمد حول الآلية وراء الموصلية الفائقة في المركبات الغنية بالهيدروجين.

الأهمية الكبيرة لهذا التقدم

يعكس هذا الإنجاز، بالنسبة للباحثين في ماينز، نجاحًا تقنيًا يتجاوز العبقرية التقنية، حيث يضع أساسًا للكشف عن الأسباب الأساسية للموصلية الفائقة عند درجات حرارة مرتفعة في المواد المعتمدة على الهيدروجين. “نأمل أنه من خلال توسيع هذه التقنية إلى موصلات الهيدريد الأخرى، يمكن تحديد العوامل الرئيسية التي تسمح للموصلية الفائقة عند درجات حرارة أعلى”، كما أشار الدكتور فنغ دو، المؤلف الرئيسي للدراسة المنشورة.

وأضاف الدكتور ميخائيل إيريميتس، شخصية بارزة في أبحاث الموصلية الفائقة تحت الضغط العالي، أن هذا العمل يعد “الأكثر أهمية في مجال الموصلية الفائقة الهيدريد منذ اكتشاف الموصلية الفائقة في H₃S عام 2015”. وأكد فاسيلي مينكوف، قائد مشروع كيمياء وفزياء الضغط العالي في معهد ماكس بلانك، أن رؤية إيريميتس حول موصلات تعمل عند درجة حرارة الغرفة وضغوط معتدلة أصبحت أقرب إلى أن تتحقق.

موجز تاريخ الموصلية الفائقة

تُشير الموصلية الفائقة إلى قدرة بعض المواد على نقل التيار الكهربائي بدون مقاومة. اكتشفت لأول مرة في الزئبق النقي عام 1911 بواسطة هايك كامرلينغ أونيس. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه الظاهرة يمكن أن تحدث فقط في درجات حرارة قرب الصفر المطلق (-273 درجة مئوية). لكن هذا الافتراض تغير في أواخر الثمانينات مع اكتشاف الموصلات الفائقة أو ما يُعرف بالكوبريتات التي أظهرت موصلية فائقة عند الضغط الجوي العادي، مما أثار جهود بحث عالمية.

بمرور الوقت، تمكن العلماء من الوصول إلى درجات حرارة حرجة (Tₕ) تبلغ حوالي 133 كلفن عند الضغط الجوي و164 كلفن تحت ضغط عالٍ، لكن التقدم تعثر حتى ظهرت المركبات الغنية بالهيدروجين.

المواد الغنية بالهيدروجين ودفع الحدود

يُعتبر اكتشاف الموصلية الفائقة في H₃S عند ضغوط ميغا بار، مع حرارة حرجة تبلغ 203 كلفن، نقطة تحول. بعد ذلك، تم ملاحظة درجات حرارة حرجة أعلى في الهيدرات المعدنية الغنية بالهيدروجين مثل YH₉ وLaH₁₀. تشير النماذج النظرية الحالية إلى أنه قد يكون بالإمكان تحقيق الموصلية الفائقة فوق درجة حرارة الغرفة في العديد من الأنظمة الغنية بالهيدروجين عند تعرضها للضغط الشديد.

أزواج كوبر وفهم الفجوة الموصلية

في المعادن العادية، يمكن للإلكترونات القريبة من مستوى فيرمي (Fermi level) أن تتحرك بحرية. لكن عندما تصبح المواد موصلة فائقة، تتشكل الإلكترونات في حالات مزدوجة تُعرف بأزواج كوبر وتدخل في حالة كمية جماعية. وفي هذه الحالة، تتحرك الإلكترونات المزدوجة معًا دون تشتيت بواسطة الفونونات أو الشوائب في الشبكة البلورية، مما يلغي المقاومة الكهربائية. وتخلق هذه الإقرانات فجوة طاقة قريبة من مستوى فيرمي تُسمى الفجوة الموصلية.

تشكل الفجوة الموصلية خاصية مميزة للموصلية الفائقة حيث تعكس حجمها وتناسقها تفاعلات الإلكترونات وإقرانها، مما يجعلها بصمة رئيسية للآلية الأساسية التي تكمن وراء الموصلية الفائقة.

ختامًا، تمثل هذه الإنجازات أحدث خطوات في السعي نحو موصلية فائقة فعالة وملموسة في التطبيقات العملية، مما يفتح الأبواب أمام تطوير مواد جديدة تعمل تحت ظروف أكثر عملية، ومن الممكن أن تسهم في تحسين تقنياتنا ومدى تقدمنا التكنولوجي.