أنواع المواد فائقة التوصيل وتطبيقاتها

مقدمة

المواد فائقة التوصيل هي فئة رائعة من المواد التي تُظهر مقاومة كهربائية صفرية وطرداً للمجالات المغناطيسية (تأثير ميسنر) عند تبريدها تحت درجة حرارة حرجة (Tc). ومنذ اكتشافها في عام 1911 على يد هايكه كاميرلنغ أونيس، أحدثت الموصلات الفائقة ثورة في مجالات مختلفة، من التصوير الطبي إلى نقل الطاقة. ستوجز هذه المقالة الأنواع المختلفة للمواد فائقة التوصيل وتطبيقاتها المتنوعة.

أنواع المواد فائقة التوصيل

يمكن تصنيف المواد فائقة التوصيل على نطاق واسع إلى فئتين بناءً على درجة حرارتها الحرجة وخصائصها المغناطيسية: موصلات فائقة التوصيل من النوع الأول والنوع الثاني. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيفها بناءً على تركيبها وجدولها الزمني للاكتشاف، مثل الموصلات الفائقة التقليدية والعالية الحرارة وغير التقليدية.

[1]

1- الموصلات الفائقة من النوع الأول

الموصِّلات الفائقة من النوع الأول هي في المقام الأول معادن نقية وميتالويدات فلزية تُظهر موصلية فائقة في درجات حرارة منخفضة للغاية (عادةً أقل من 30 كلفن). وتتميز بانتقال حاد إلى حالة التوصيل الفائق وطرد كامل للمجالات المغناطيسية (تأثير مايسنر) تحت مجالها المغناطيسي الحرج (Hc). وتشمل الأمثلة على ذلك:

- الزئبق (Hg): أول موصل فائق التوصيل المكتشف مع درجة حرارة تبلغ 4.2 كلفن.

- الرصاص (Pb): Tc 7.2 كلفن.

- الألومنيوم (Al): Tc 1.2 كلفن.

الموصلات الفائقة من النوع الأول محدودة في التطبيقات العملية بسبب انخفاض درجات حرارتها الحرجة ومجالاتها المغناطيسية.

2- الموصلات الفائقة من النوع الثاني

الموصّلات الفائقة من النوع الثاني هي مواد أكثر تعقيداً، بما في ذلك السبائك والمركبات، التي يمكنها تحمل مجالات مغناطيسية أعلى ولها درجات حرارة حرجة أعلى. وهي تسمح للمجالات المغناطيسية بالتغلغل في شكل دوامات كمية، ما يمكّنها من البقاء فائقة التوصيل في مجالات أعلى. وتشمل الأمثلة على ذلك:

- النيوبيوم-التيتانيوم (NbTi): تُستخدم على نطاق واسع في المغناطيسات فائقة التوصيل لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات.

- النيوبيوم-القصدير (Nb3Sn): يستخدم في المغناطيسات عالية المجال بسبب مجاله الحرج الأعلى.

3- الموصلات الفائقة عالية الحرارة (HTS)

الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية هي فئة من المواد التي تُظهر موصلية فائقة في درجات حرارة أعلى بكثير من الموصلات الفائقة التقليدية (فوق 30 كلفن). وغالباً ما تكون هذه المواد قائمة على أكسيد النحاس (كوبرات) أو مواد قائمة على الحديد. وتشمل الأمثلة على ذلك:

- أكسيد الإيتريوم باريوم النحاس (YBCO): Tc 92 كلفن.

- أكسيد النحاس البزموت سترونتيوم الكالسيوم والكالسيوم (BSCCO): Tc 110 كلفن.

- الموصلات الفائقة القائمة على الحديد: اكتُشفت في عام 2008، وتصل درجة الحرارة إلى 55 كلفن.

تُعد مواد HTS واعدة بشكل خاص للتطبيقات العملية بسبب قدرتها على العمل في درجات حرارة النيتروجين السائل (77 كلفن)، وهي أكثر فعالية من حيث التكلفة من الهيليوم السائل.

4- الموصلات الفائقة غير التقليدية

لا تتبع الموصلات الفائقة غير التقليدية نظرية BCS التقليدية للموصلية الفائقة. وهي تشمل:

- الموصلات الفائقة الفيرميونية الثقيلة: مواد مثل CeCu2Si2، حيث تتصرف الإلكترونات كما لو كانت لها كتلة عالية للغاية.

- الموصلات الفائقة العضوية: المواد القائمة على الكربون التي تُظهر موصلية فائقة في درجات حرارة منخفضة.

- ثنائي بوريد المغنيسيوم ثنائي بوريد المغنيسيوم (MgB2): مركب بسيط تبلغ درجة حرارته 39 كلفن ويسد الفجوة بين الموصلات الفائقة التقليدية والموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية.

تطبيقات المواد فائقة التوصيل

أدت الخصائص الفريدة للمواد فائقة التوصيل إلى استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف الصناعات. فيما يلي بعض أهم التطبيقات:

[2]

1- التصوير الطبي

تعد المغناطيسات فائقة التوصيل العمود الفقري لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). تُستخدم الموصلات فائقة التوصيل من النيوبيوم-تيتانيوم (NbTi) بشكل شائع لتوليد المجالات المغناطيسية القوية والمستقرة المطلوبة للتصوير عالي الدقة. وتضمن المقاومة الصفرية للموصلات الفائقة التشغيل الفعال دون فقدان كبير للطاقة.

2- مسرعات الجسيمات

تُعد المواد فائقة التوصيل ضرورية في مسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية. وتستخدم مغناطيسات النيوبيوم-القصدير (Nb3Sn) والنيوبيوم-التيتانيوم (NbTi) لإنشاء المجالات المغناطيسية المكثفة اللازمة لتوجيه وتركيز حزم الجسيمات بسرعات تقترب من سرعة الضوء.

3- نقل الطاقة

يمكن للكابلات فائقة التوصيل أن تنقل الكهرباء بمقاومة صفرية، مما يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة مقارنة بالكابلات النحاسية التقليدية. ويجري حالياً استكشاف الموصلات الفائقة عالية الحرارة مثل YBCO لاستخدامها في شبكات الطاقة فائقة التوصيل التي يمكن أن تحدث ثورة في توزيع الطاقة.

4- قطارات الرفع المغناطيسي (ماجليف)

تُمكّن المغناطيسات فائقة التوصيل قطارات ماجليف من أن تطفو فوق المسارات، مما يزيل الاحتكاك ويسمح بالسفر بسرعة فائقة. وقد حقق قطار SC Maglev الياباني، الذي يستخدم الموصلات الفائقة YBCO، سرعات تتجاوز 600 كم/ساعة.

5. الحوسبة الكمية

تقع المواد فائقة التوصيل في قلب البتات الكمية (الكيوبتات) في الحواسيب الكمية. ويُعد تقاطع جوزيفسون، وهو جهاز مصنوع من موصلين فائقين يفصل بينهما عازل، مكونًا رئيسيًا في الدوائر الكمية فائقة التوصيل. وتستفيد شركات مثل آي بي إم وجوجل من هذه التكنولوجيا لبناء معالجات كمومية قوية.

6. تخزين الطاقة

تقوم أنظمة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل بتخزين الطاقة في المجال المغناطيسي الذي يولده ملف فائق التوصيل. ويمكن لهذه الأنظمة أن تطلق كميات كبيرة من الطاقة بشكل فوري تقريباً، مما يجعلها مثالية لتحقيق الاستقرار في شبكات الطاقة وتوفير الطاقة الاحتياطية.

7. البحث العلمي

تُستخدم المواد فائقة التوصيل في أدوات بحثية متقدمة مثل أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs)، وهي أجهزة قياس مغناطيسية عالية الحساسية قادرة على اكتشاف المجالات المغناطيسية الضعيفة للغاية. تُستخدم أجهزة التداخل الكمي الفائق التوصيل في مجالات تتراوح بين الجيولوجيا وعلم الأعصاب.

8. طاقة الاندماج

تعتبر المغناطيسات فائقة التوصيل ضرورية لحصر البلازما في مفاعلات الاندماج النووي، مثل مشروع ITER. وتُستخدم الموصّلات الفائقة عالية الحرارة مثل YBCO لتطوير مفاعلات اندماج أكثر كفاءة وصغر الحجم.

9. استكشاف الفضاء

تُستخدم المواد فائقة التوصيل في أنظمة التبريد للتلسكوبات والكواشف الفضائية. على سبيل المثال، تُستخدم الكواشف فائقة التوصيل في الفيزياء الفلكية لرصد الإشارات الخافتة من النجوم والمجرات البعيدة.

10. التطبيقات الصناعية

تُستخدم المواد فائقة التوصيل في المحركات والمولدات الكهربائية للتطبيقات الصناعية. وهذه الأجهزة أكثر كفاءة وأصغر حجماً من نظيراتها التقليدية، مما يجعلها مثالية للاستخدام في توربينات الرياح والمركبات الكهربائية.

الخاتمة

أحدثت المواد فائقة التوصيل تحولاً في التكنولوجيا الحديثة. فمن الموصلات الفائقة من النوع الأول إلى المتغيرات عالية الحرارة وغير التقليدية، تقدم كل فئة من المواد خصائص وتطبيقات فريدة من نوعها. ومع استمرار تقدم الأبحاث، تبشر المواد فائقة التوصيل بإحداث ثورة في المزيد من الصناعات. لمزيد من المواد المتقدمة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] عبد الشكور، ر.. موصلات فائقة الحرارة العالية: المواد والآليات والتطبيقات.

[2] تشاو ياو، يانوي ما، المواد فائقة التوصيل: التحديات والفرص المتاحة للتطبيقات واسعة النطاق، iScience، المجلد 24، العدد 6، 2021، https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095