قائمة بالمواد فائقة التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة

مقدمة

تُظهر المواد فائقة التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة موصلية فائقة تحت 30 كلفن وتتطلب عادةً التبريد بالهيليوم السائل. هذه المواد ضرورية في التقنيات المتقدمة، مثل فيزياء الطاقة العالية والتصوير الطبي والاندماج النووي. ودرجة الحرارة الحرجة (Tc) هي العتبة التي تصبح المادة تحتها فائقة التوصيل وتؤدي دوراً حيوياً في تحديد التطبيقات العملية لكل مادة.

المعادن

النيوبيوم (Nb) - درجة الحرارة الحرجة (Tc): 9.3K

النيوبيوم هو أكثر المعادن فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة المنخفضة استخدامًا. وغالباً ما يُستخدم في الأغشية الرقيقة والمحاليل الصلبة في طور بيتا، مما يجعله ذا قيمة للمكونات الكهربائية الضعيفة والمغناطيسات فائقة التوصيل. إن درجة حرارته العالية التي تبلغ 9.3 كلفن تجعله عملياً في المجالات التي تتطلب مقاومة كهربائية منخفضة ومجالات مغناطيسية قوية.

السبائك

NbTi (النيوبيوم-التيتانيوم) - درجة الحرارة الحرجة (Tc): 9.2K

إن NbTi هي السبيكة فائقة التوصيل الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، حيث تشكل حوالي 95% من المواد فائقة التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة. وهي تجمع بين خصائص فائقة التوصيل القوية والأداء الميكانيكي الجيد، مما يجعلها مثالية لـ

• مسرعات الفيزياء عالية الطاقة
• أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)
• أجهزة الحصر المغناطيسي للبلازما

NbZr (النيوبيوم-الزركونيوم) - درجة الحرارة الحرجة (Tc): 11K

كانت NbZr واحدة من أوائل السبائك فائقة التوصيل التي تم تطويرها، على الرغم من أنه تم استبدالها إلى حد كبير ب NbTi. ولا يزال استخدامه مهمًا في بعض العمليات الصناعية التي تتطلب درجات حرارة معتدلة وخصائص ميكانيكية محددة.

المركبات

NbN (نيتريد النيوبيوم) - درجة الحرارة الحرجة (Tc): 16K

يُعرف NbN بثباته ويستخدم عادةً في الأغشية الرقيقة. وهو يؤدي أداءً جيدًا في المكونات الكهربائية الضعيفة والأنظمة المغناطيسية عالية المجال، مما يجعله خيارًا مفضلًا للتطبيقات التي تتطلب موثوقية طويلة الأجل.

Nb₃Sn (النيوبيوم-القصدير) - درجة الحرارة الحرجة (Tc): 18.1K

على الرغم من هشاشته، يعد Nb₃Sn أحد أهم المركبات في تطبيقات المغناطيس عالي المجال. فهو يُستخدم في أجهزة مثل مفاعلات الاندماج النووي ومسرعات الجسيمات حيث تكون هناك حاجة إلى مجالات مغناطيسية قوية. يمكن أن يتحمل Nb₃Sn القوى المغناطيسية الشديدة، على الرغم من أنه قد يكون من الصعب معالجته.

V₃Ga (الفاناديوم-الغاليوم) - درجة الحرارة الحرجة (Tc): 16.8K

يُستخدم V₃Ga في المغناطيسات عالية المجال على غرار Nb₃Sn. لها خصائص ميكانيكية مختلفة قليلاً، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات تقنية محددة. ومثلها مثل المركبات الأخرى، فهي مفضلة لقدرتها على العمل بشكل جيد في المجالات المغناطيسية القوية.

الجدول.1 مادة فائقة التوصيل بدرجة حرارة منخفضة

تطبيقات الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة

تلعب الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة دوراً حيوياً في مختلف الصناعات والتطورات العلمية. وتشمل تطبيقاتها ما يلي:

• فيزياء الطاقة العالية: تُستخدم مواد مثل NbTi في مسرعات الجسيمات وأجهزة حصر البلازما لقدرتها على توليد مجالات مغناطيسية قوية والحفاظ عليها.
• التصوير الطبي: تُعد الموصلات الفائقة NbTi ضرورية لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، حيث تساعد في توليد المجالات المغناطيسية القوية اللازمة لتصوير هياكل الجسم الداخلية.
• الاندماج النووي: تُعد Nb₃Sn ضرورية لإنتاج مغناطيسات عالية المجال في مفاعلات الاندماج، مما يدعم الجهود المبذولة في تكنولوجيا الاندماج النووي المتحكم فيه بالمغناطيس.

الخاتمة

في مجال المواد فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة المنخفضة، أدى التفاعل بين المعادن والسبائك والمركبات إلى فتح عدد لا يحصى من التطبيقات في المجالات العلمية والطبية والعسكرية. وبينما نحن نبحر في المناظر الطبيعية المتجمدة للهيليوم السائل، فإن البحث عن درجات حرارة حرجة أعلى وأساليب تشغيلية أكثر فعالية من حيث التكلفة يدفع المجال إلى الأمام. ولا تزال Stanford Advanced Materials في طليعة هذه الابتكارات، حيث تساهم في تطوير المواد فائقة التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة وتطبيقاتها المتنوعة.