الناقلية الفائقة

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الناقلية الفائقة

ناقليه فايقه

Superconductivity - Superconductivité

الناقلية الفائقة

الناقلية الفائقة superconductivity هي حالة تحصل لبعض المواد عند تبريدها إلى درجة حرارة أخفض من درجة حرارة حرجة يرمز لها بالرمز Tc، تنعدم عندها المقاومة الكهربائية كلياَ (أنظر الشكل 1).

الشكل (1) انعدام المقاومة الكهربائية لمادة ذات ناقلية فائقة عند انخفاض درجة حرارتها تحت درجة الحرارة الحرجة T_c

الشكل (2) طرد الحقل المغنطيسي كلياً من جسم ذي ناقلية فائقة تم تبريده تحت درجة الحرارة الحرجة

الشكل (3) مغنطيس دائم يطفو فوق جسم ذي ناقلية فائقة مبرد بالآزوت السائل إلى مادون درجة حرارته الحرجة

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 لمعرفة 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 أن نجح في تمييع الهليوم عام 1908 تمكن من الحصول على درجة حرارة من رتبة كلفن واحد (علماً أنّ (s273º K= 0ºC، ولاحظ أن المقاومة النوعية للزئبق تنخفض بجوار s4ºK بصورة مفاجئة وسريعة إلى قيمة لا يمكن قياسها. وبعد الدراسة وجد أن حالة انعدام المقاومة هذه ـ والتي سماها «الناقلية الفائقة» ـ يمكن إزالتها إما بتطبيق حقل مغنطيسي تتجاوز شدته شدة معينة تدعى الحقل الحرج (H_c) وإما بتمرير تيار كهربائي تتجاوز كثافته قيمة معينة تدعى كثافة التيار الحرج (J_c).

في عام 1933 اكتشف العالمان مايسنر Meissner وأشسنفيلد Ochsenfeld أن كلاً من الرصاص والقصدير يَطردان الحقل المغنطيسي كلياً إلى الخارج عند عبورهما إلى حالة الناقلية الفائقة.

والمثير في هذا الاكتشاف أن طرد الحقل يحصل سواء تمّ تبريد العيّنة بوجود حقل مغنطيسي أم من دونه، أي إن الوصول إلى هذه الحالة لا يتعلق بالطريق المسلوك، مما يعني أن 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 و جسم 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 هو YBa₂Cu₃O_7-x وهو يعبر إلى حالة الناقلية الفائقة عند درجة حرارة من رتبة º90K. لمعرفة أهمية هذا الاكتشاف يجب تذكّر أن كلفة الحصول على الآزوت السائل أرخص بكثير من كلفة الحصول على الهليوم السائل؛ لكون الآزوت الغازي متوافراً في الهواء. ويبين (الشكل 4) أهم المركبات المكتشفة حتى اليوم مع درجة حرارتها الحرجة و تاريخ اكتشافها.

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 أن 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 كلما ارتفعت شدة الحقل إلى أن تبلغ قيمة الحقل الحرج العلوي H_c2 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 علم 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.

تفسير وجود حالة الناقلية الفائقة

الشكل (4) أهم المركبات الفائقة الناقلية المكتشفة حتى اليوم ودرجات حرارتها الحرجة وكذلك تاريخ اكتشافها

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

يمكن فهم انعدام المقاومة في إطار هذه النظرية على أنه ناتج من أن 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 و يعود 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.

تطبيقات الناقلية الفائقة

هناك عدد كبير من التطبيقات لظاهرة الناقلية الفائقة من أهمها وأقدمها وأكثرها انتشاراً توليد الحقول المغنطيسية الشديدة. تُستخدم من أجل ذلك كبلات من سبيكة النيوبيوم ـ تيتان الموضوعة ضمن حافظة من النحاس (ذلك لأنه لايمكن صنع 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 بطريقة التجاوب (الرنين) المغنطيسي، وإن استخدام الكبلات ذات الناقلية الفائقة يصغِّر من حجم المغانط الكهربائية ويسهل عملها واستخدامها.

أما بالنسبة إلى نقل الطاقة الكهربائية ـ وهو الحلم الذي طالما داعب خيال الفيزيائيين منذ اكتشاف ظاهرة الناقلية الفائقة - فهناك دراسات تشير إلى إمكان استخدام أشرطة مصنَّعة من المركب(Bi¨Pb)2Sr₂Ca₂Cu₃Ox (T_c=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 أن تمرر تياراً حرجاً يصل إلى s10^4sA/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 النمو الاقتصادي.

كما أن هناك تطبيقات أخرى تعتمد على ما يدعى بالسكويد.

تعرف وصلة جوزيفسون بأنها تتألف من طبقتين من مادة ذات ناقلية فائقة (من معدن النيوبيوم على الأغلب) تفصل بينهما طبقة عازلة سماكتها من 10 حتى 100 نانومتر. وإذا وُضعت وصلتا جوزيفسون على التسلسل ينشأ ما يدعى بالسكويد SQUID وهو جهاز 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 أهم 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.

عادل نادر

مراجع للاستزادة:

-C. ROSES-INNES and H.E. RHODERICK, Introduction to Superconductivity (Pergamon, UK 1988).

- DAVID LARBALESTIER, ALEX GUREVICH, D.MATTHEW FELDMANN & ANATOLY POLYANSKII, High-Tc superconducting materials for electric power applications (NATURE vol.414:368, 2001).