البلورة الزرقاء «الثورية» تعيد الأمل في الموصلية الفائقة بدرجة حرارة الغرفة

هل نجحت أبحاث الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة أخيرًا؟ هل عاد الباحثون في جامعة روتشستر Researchers at the University of Rochester (اختصارًا: الجامعة U of R)، والذين أُجبروا سابقًا على التراجع عن إدعاء مثير للجدل بشأن الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة عند الضغوط العالية Room temperature superconductivity at high pressures، بادعاء أكثر إثارة. إذ نشروا في الأسبوع الثاني من مارس 2023 في مجلة نيتشر Nature تقريرًا عن مادة جديدة فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة وبضغط لا يزيد على ضغط البيئة المحيطة.

يقول جيمس هاملين James Hamlin، الفيزيائي من جامعة فلوريدا University of Florida  الذي لم يشارك في العمل: «إذا كان هذا صحيحًا، فهو ثوري تمامًا». وسيكون الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة إيذانا بحلم دام قرن من الزمن. وتتطلب الموصلات الفائقة الحالية أنظمة تبريد ضخمة ومكلفة لتوصيل الكهرباء دون احتكاك Frictionless، لكن مواد درجة حرارة الغرفة يمكن أن تؤدي إلى شبكات كهربائية وشرائح حاسوب عالية الكفاءة، إضافة إلى المغناطيسات فائقة القوة Ultrapowerful magnets اللازمة لرف القطارات فوق سكك الحديد ودفع حركتها، وكذلك في توليد طاقة الاندماج Fusion power.

ولكن بالنظر إلى التراجع الأخير لمجموعة الجامعة  U of Rعن ادعاءاتهم، لن يكون من السهل إقناع العديد من الفيزيائيين. يقول هاملين: «أعتقد أنه سيتعين عليهم تقديم بعض الأدلة الفعلية، وأن يقدموا المزيد من المعلومات حتى يصدقهم الناس». كان جورجي هيرش Jorge Hirsch، الفيزيائي من جامعة كاليفورنيا  University of California في سان دييغو، والناقد الصاخب للعمل السابق، أكثر صراحة. «أشك في [النتيجة الجديدة]، لأنني لا أثق بهؤلاء المؤلفين».

أحدثت مجموعة الجامعة U of R، بقيادة الفيزيائي رانغا دياس Ranga Dias، ضجة كبيرة في عام 2020 عندما أبلغت عن الموصلية الفائقة في ذرة صغيرة من الكربون والكبريت والهيدروجين (اختصاراً: البلورة CSH)، والتي تم إنشاؤها بضغط المواد بين طرفي بلورتين من الألماس بضغط يعادل ملايين أضعاف الضغط الجوي. وكان العلماء قد صنعوا موصلات فائقة أخرى غنية بالهيدروجين، تُعرف بالهيدريدات Hydrides، ولكن كان لابد من تبريدها إلى 250 كلفن (-23°س) أو أقل. البلورة CSH فائقة التوصيل عند 287 كلفن، درجة حرارة ثلاجة منخفضة التبريد.

ولكن الباحثين الآخرين لم يتمكنوا من تكرار نتائج البلورة CSH واشتكوا من أن “وصفة الدراسة” study’s recipe كانت غامضة وغير كاملة. وجد آخرون خطأ في الطريقة التي قاست بها مجموعة الجامعة U of R السلوك المغناطيسي للمادة، وهي علامة رئيسية على الموصلية الفائقة. في النهاية، سحبت مجلة نيتشر الورقة في سبتمبر 2022 على الرغم من اعتراضات جميع مؤلفيها.

في 22 فبراير 2023، عاود دياس وزملاؤه تأكيد زعمهم الأصلي. في نسخة أولية منشورة على الموقع arXiv أبلغوا عن توليف نسخة جديدة من البلورة CSH ذات الموصلية الفائقة عند 260 كلفن أقل قليلاً، ولكن عند نحو نصف الضغط السابق فقط. يقول المؤلف المشارك راسل هيمليRussell Hemley، كيميائي المواد من جامعة إلينوي University of Illinois بشيكاغو، الذي ساعد على تحديد بنية المادة: «يجب أن تجيب هذه الورقة عن أي سؤال يتعلق بالبلورة CSH».

الآن لدينا المادة الأكثر وعدا: اللوتيتيوم-هيدريد المطعم بالنيتروجين Nitrogen-doped lutetium-hydride (اختصارا: البلورة LNH). ولتحقيق ذلك، وضع فريق دياس شريحة رقيقة من اللوتيتيوم في ملزمة ماسية Diamond vise وحقن مزيجًا من الهيدروجين وغاز النيتروجين. من خلال زيادة الضغط حتى 2 غيغا باسكال (ما يقرب من 20000 ضعف الضغط الجوي) وتسخين المزيج عند 200°س لمدة تصل إلى 3 أيام ، تشكلت بقعة بلورية زرقاء لامعة، والتي صمدت حتى بعد تخفيف الضغط.

عندما أعادوا زيادة الضغط مرة أخرى إلى 0.3 غيغا باسكال، تحولت البقعة الزرقاء إلى اللون الوردي مع انخفاض المقاومة الكهربائية إلى الصفر. ووصلت المادة إلى ذروة درجة حرارة الموصلية الفائقة 294 كلفن – أي أدفأ بـ 7 درجات من البلورة CSH الأصلية ودرجة حرارة الغرفة الفعلية – عند ضغط 1 غيغا باسكال. وأظهرت القياسات المغناطيسية Magnetic measurements أيضًا أن العينة صدت بالتنافر Repelled مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا، وهي سمة مميزة للموصلات الفائقة. يقول المؤلفون إن الورقة مرت بخمس جولات من المراجعة.

يقول أشكان سلامات Ashkan Salamat، الفيزيائي من جامعة نيفادا  University of Nevada في لاس فيغاس، وأحد كبار مؤلفي الدراسة: «هذه هي الدراسة الأكثر تفصيلاً عن الهيدريد على الإطلاق». يتفق آخرون على أن النتائج تبدو رائعة. يقول ألكسندر غونشاروف Alexander Goncharov، الفيزيائي من معهد كارنيغي للعلوم Carnegie Institution for Science: «يبدو الأمر معقولًا». ويقول هاملين: «إذا كان هذا صحيحًا، فإن الورقة العلمية إنجاز الإنجاز تم تحقيقه بمهارة كبيرة على جميع الأصعدة».

مثلما تجيب عن أسئلة، فإن البلورة LNH تثير العديد من الأسئلة الأخرى. تقول ليليا بويري Lilia Boeri، عالمة الفيزياء النظرية من جامعة سابينزا Sapienza University في روما: «إنها تتناقض مع كل ما أتوقعه من الهيدرات». في النظرية التقليدية للموصلية الفائقة، تعمل الاهتزازات في الشبكة البلورية للمادة كغراء بين أزواج من الإلكترونات، مما يمكنها من التوصيل دون مقاومة. تشير حسابات بويري وغيرها إلى أن الموصلات الهيدريد الفائقة عند ضغط الغرفة ممكنة، ولكن فقط في درجات حرارة أكثر برودة، أي 125 كلفن فوق ذلك، كما تقول، يفقد الصمغ الاهتزازي قبضته، والضغط الشديد فقط هو ما يمكنه أن «يقوي» الشبكة Lattice ويؤدي إلى ارتباط الإلكترونات ببضعها.

يجادل دياس وزملاؤه في أن هذا هو ما يحققه النيتروجين في مادتهم الجديدة. ذرات النيتروجين صغيرة مقارنة باللوتيتيوم. ويعتقدون أن ذرات النيتروجين قد تتلوى بين ذرات اللوتيتيوم، وتشكل بنية تشبه القفص تقوي بقية الشبكة. ولم يؤكد هو وزملاؤه هذا الهيكل بعد. لكن دياس يتكهن بأنه «يوفر الاستقرار لنشوء الموصلية الفائقة عند ضغط منخفض».

لحل اللغز، يجب على فريق الجامعة U of R «بذل كل ما في وسعه لمساعدة المجموعات الأخرى على إعادة إنتاج النتائج نفسها »، كما يقول ميخائيل إريميتس Mikhail Eremets، الفيزيائي من معهد ماكس بلانك للكيمياء Max Planck Institute for Chemistry، الذي اكتشف فريقه أول موصل هيدريد فائق في عام 2015 لكنه فشل في تكرار نتائج البلورة CSH. «إذا لم يفعلوا ستكون كارثة». لكن يبدو أن هذا المستوى من التعاون غير وارد. يقول دياس إن شركة Unearthly Materials، التي أسسها هو وسلامات، تحاول تسويق الهيدريد الجديد. قال دياس عبر البريد الإلكتروني: «لن نوفر هذه المواد للآخرين، إذ يجب الأخذ بالاعتبار طبيعة الملكية الفكرية لإجراءاتنا وحقوق الملكية الفكرية القائمة بالفعل لبعض الإجراءات».

ولا يوافق فيزيائيون آخرون على ذلك. إذ يقول بويري: «إنه سلوك غير علمي تمامًا». ويقول هاملين إنه لن يلزم طالبا ما بتكرار العمل ما لم تشارك مجموعة الجامعة U of R العينات والبيانات الأولية.

غير أن سلامات يقول إن البيانات الأولية متوفرة على الإنترنت. أما فيما يخص مشاركة العينات، فإن الورقة العلمية تقدم وصفة مفصلة، على حد قوله. «يمكن للناس المضي قدمًا وصنعها بأنفسهم».

هذا ويخطط إيريمتس للمحاولة. نظرًا لأنه يمكن تصنيع البلورة LNH تحت ضغوط منخفضة لا تتطلب ملزمات ماسية، «سيكون من الأسهل بكثير التحقق من ذلك من قبل العديد من المجموعات»، كما يقول. ويوافق هيملي، الذي يساعد مجموعة الجامعة U of R على تحديد هيكل البلورة LNH، على ذلك قائلا: «إنها لعبة مختلفة تمامًا الآن».

المصادر العلمية:

doi: 10.1126/science.adh4968

بقلم:    روبرت إف. سيرفس

ترجمة: Google Translate

تنقيح: فريق تحرير مجلة العلوم

©2023, American Association for the Advancement of Science. All rights reserved