الحياة القصيرة الذائعة الصيت والمذهلة لادعاء الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة

على مدار الأسبوعين الماضيين، كانت منصة وسائل التواصل الاجتماعي X (المعروفة سابقًا بــ Twitter) تموج بالإثارة حول ورقة بحثية بعنوان “أول مُوصِّل فائق في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي العادي” The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor. عنوان الورقة، المنشورة مع ورقة بحثية أخرى مرافقة على الموقع arXiv لنشر المقالات ما قبل الطباعة في 22 يوليو 2022، يقول كل شيء: عند خلطه بالنحاس، يصير المعدن المتواضع القائم على الرصاص موصلًا فائقًا يعمل في درجات أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة وعند مستويات الضغط الجوي العادية. حتى الآن، تتطلب جميع الموصلات الفائقة -المواد التي يمكنها نقل الكهرباء دون مقاومة أو فقدان الطاقة بفعل التسخين- درجاتِ حرارة أبرد بكثير من درجة حرارة الغرفة أو تحت ضغوط عالية جدا.

إذا ثبتت صحة ادعاء سوكابي لي Sukbae Lee وجي هون كيم Ji-Hoon Kim من مركز أبحاث الطاقة الكمية في كوريا الجنوبية Quantum Energy Research Centre وزملاؤهما، يمكن للمواد أن تستهل كل أنواع الأعاجيب التكنولوجية، مثل القاطرات التي تسير مرتفعة عن السكك الحديدية والشبكات الكهربائية الفعالة تمامًا. “ربما شهد اليوم أكبر اكتشاف فيزيائي في حياتي”، هذا ما قاله أليكس كابلان Alex Kaplan، وهو مسؤول تنفيذي في شركة قهوة صغيرة الحاصل على درجة البكالوريوس في الفيزياء من جامعة برينستون Princeton University في عام 2021. وغرد في 25 يوليو على المنصة X: “لا أعتقد أن الناس يدركون تمامًا الآثار المترتبة على “موصل فائق في درجة حرارة وضغط الغرفة “، ونالت تغريدته على 30 مليون مشاهدة.

لكن بعض الفيزيائيين متشككون بشدة. إذ يقول مايكل نورمان Michael Norman، الباحث النظري في مختبر آرغون الوطني Argonne National Laboratory، إن المؤلفين “هم في الواقع هواة. فهم لا يعرفون الكثير عن الموصلية الفائقة والطريقة التي قدموا بها بعض البيانات مريبة”. لكم من ناحية أخرى، يقول: “الناس هنا [في مختبر آرغون الوطني] يأخذون الأمر على محمل الجد ويحاولون تطوير هذه الأشياء”. بالفعل، ذكرت بعض المجموعات البحثية أنها لم تتمكن من إعادة إنتاج نتائج العمل، بينما قدم البعض الآخر دعمًا متواضعًا. ولم يرد فريق كوريا الجنوبية على طلبنا للتعليق على الموضوع.

الموصلية الفائقة هي في جوهرها ظاهرة لا تتكشف إلا في درجات الحرارة المنخفضة. في العادة، لا تستطيع الإلكترونات المرور بسهولة عبر مادة صلبة بلورية لأنها ترتد عن الذرات المهتزة Vibrating atoms في الشبكة البلورية Crystal lattice. ومع ذلك، في بعض المواد، عند درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية، تشكل الإلكترونات أزواجًا متداخلة غير محكمة الترابط لا يمكن أن تنحرف Deflect دون كسر هذه الأزواج. وفي درجات الحرارة المنخفضة، لا تكون الاهتزازات قوية بما يكفي لكسر الروابط، لذلك تنزلق أزواج الإلكترونات هذه عبر المادة دون عوائق.

المشكلة هو أنه لا توجد قاعدة للتنبؤ بمدى برودة مادة ما حتى تتمكن من التوصيل الفائق. بعض ما يسمى الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العاليةHigh-temperature superconductors تنقل التيار دون أي مقاومة تذكر حتى درجة 133 كلفن (أكثر من 100°س تحت التجمد). بعد 30 عامًا لا يزال علماء الفيزياء النظرية غير قادرين على شرح كيفية قيام المواد بذلك بالضبط، لذلك لا يمكنهم التنبؤ بدرجة الحرارة التي تحدّ التوصيل الفائق. وتكثر الادعاءات المثيرة للجدل، على سبيل المثال الموصلات الفائقة “الهيدريد” Hydrideالجديدة، التي يقال إنها تعمل عند درجة حرارة الغرفة حتى وإن كان ذلك عموما تحت ضغط عالٍ.

ولكن حتى في مجال مليء بالتأكيدات الجريئة، فإن ادعاء الباحثين الكوريين الجنوبيين غير عادي. في الأوراق البحثية، التي لم تتم مراجعتها من قبل الأقران Peer reviewed، يجادلون في أنه عند تطعيمه بالنحاس، فإن فلز أباتيت الرصاص Lead apatite -الذي يحتوي على الرصاص والأكسجين والفوسفور- يعمل كموصل فائق عند الضغط الجوي العادي ودرجات حرارة 400 كلفن على الأقل، أي أعلى من درجة غليان الماء. إذا كان هذا صحيحًا، فأثناء جلوسك على مكتبك، يجب أن تنقل هذه المادة الكهرباء دون أي مقاومة. وتستعرض الأوراق البحثية البيانات التي تدعي أنه ليست للمادة مقاومة صفرية فحسب، بل يمكنها أيضًاExpel المجال المغناطيسي. فهذه علامة رئيسية على الموصلية الفائقة، على الرغم من أنها ليست صفة فريدة، والسبب في ارتفاع الموصل الفائق عند وضعه على مغناطيس.

تقول نادية ماسون Nadya Mason، عالمة فيزياء المواد المكثفة Condensed matter physicist بجامعة إلينوي في أوربانا شامبين University of Illinois Urbana-Champaign: “أقدر أن المؤلفين قاسوا البيانات المناسبة وكانوا واضحين بشأن تقنيات التصنيع التي اتبعوها”. ومع ذلك، فإنها تحذر قائلة: “إن البيانات تبدو غير دقيقة بعض الشيء”. على سبيل المثال، عند النظر إليها بالتفصيل، لا تُظهر الرسوم البيانية الرئيسية للجهد مقابل التيار Voltage-versus-current graphs علامات على الانحدار مباشرة إلى الصفر، وهي العلامات التي يشير إلى تلاشي المقاومة. وتقدم الأوراق البحثية أيضًا بيانات مغناطيسية متطابقة عبر أشكال بيانية غير متكافئة المحاور. ووفقًا للبيانات الصحفية، تم نشر الأوراق دون إذن جميع المؤلفين المشاركين. وقد بدأت كوريا الجنوبية تحقيقا في الأمر.

يقول نورمان إن هناك أيضًا أسئلة حول الفيزياء الأساسية. فالموصلات الفائقة التقليدية، مثل النيوبيوم Niobium والقصدير والزئبق، كلها فلزات. يجب تطعيم الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، مثل أكسيد نحاس الإيتريوم الباريوم Yttrium barium copper oxide، لجعلها فلزية قبل أن تكون فائقة التوصيل. في المقابل، فإن أباتيت الرصاص غير المطعم هو عازل، كما يقول نورمان. إضافة إلى ذلك، فإن ذرات النحاس والرصاص متشابهة بدرجة كافية بحيث لا يؤثر استبدال ذرات النحاس ببعض ذرات الرصاص في أباتيت الرصاص في الخصائص الكهربائية للمادة. ويقول نورمان: “لديك صخرة، و بعد التطعيم بشوائب يجب أن ينتهي بك الأمر بصخرة”.

ومع ذلك، مع عدم وجود نظرية للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، لا توجد وسيلة للقول على وجه اليقين إن المادة لا يمكن أن تكون موصلًا فائقًا. في الموصل الفائق العادي، توفر اهتزازات الشبكة البلورية الصمغ الذي يربط أزواج الإلكترون. ويعتقد الفيزيائيون أنه في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، ينشأ الصمغ بطريقة ما من التنافر القوي بين الإلكترونات نفسها. فتقول ماسون: “ربما تصل هذه المادة حقًا إلى النقطة المثالية لموصل فائق غير تقليدي شديد التفاعل”.

ويخمن الباحثون الكوريون الجنوبيون بأن العنصر المضاف إلى مادتهم يؤدي إلى تشويه طفيف في السلاسل الطويلة الطبيعية من ذرات الرصاص. ويقولون إن هذه القنوات أحادية الأبعاد 1D channels قد تسمح بمرور تيار دون أي مقاومة. ويقترح لي وكيم أيضًا أن نوعًا من تموج (تذبذب) الشحنة Undulation of charge قد يكون موجودًا في السلاسل. وتشير ماسون إلى أن أنماط شحنة مماثلة شوهدت في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية.

حتى مساء الثلاثاء 8 أغسطس 2023، استلم الموقع الموقع arXiv أكثر من اثنتي عشرة دراسة متابعة، معظمها دراسات نظرية. وتدعي إحدى المجموعات البحثية في الصين أنها رصدت مقاومة صفرية في المادة، ولكن فقط عند درجات حرارة أقل من 100 كلفن – أبرد من بعض الموصلات الفائقة المعروفة. وأبلغ ثلاثة آخرون عن عدم رصد أي علامة على الموصلية الفائقة.

وتشير العديد من الدراسات النظرية إلى أن المادة قد يكون لها بنية كهربائية واعدة، ولكنها بعيدة كل البعد عن ضمان الموصلية الفائقة.

لا أحد يستطيع أن يقول على وجه اليقين إلى أين يتجه كل هذا الجدل. لكن كابلان، أكبر مؤثر في الإنترنت بموضوعات فيزياء المادة المكثفة، غيّر رأيه، إذ غرّد في 7 أغسطس أن الأدلة تستبعد الموصلية الفائقة.

بقلم: أدريان تشو

ترجمة: Google Translate

تنقيح: فريق تحرير مجلة العلوم

المصادر العلمية:

doi: 10.1126/science.adk2109

نبذة عن الكاتب:

أدريان تشو Adrian Cho

كاتب من فريق المجلة

حقوق المقالة:

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