‏ هل يكون البلاديوم مفتاحاً لعصر جديد من الموصلات الكهربائية الفائقة؟

السؤال المطروح هو كيف يمكننا إنتاج أفضل الموصلات الفائقة التي تظل فائقة ‏التوصيل حتى في أعلى درجات الحرارة والضغط المحيط؟ تُظهر جامعة فيينا ‏للتكنولوجيا بالتعاون مع اليابان أن هناك "منطقة ‏Goldilocks‏" من الموصلات ‏الفائقة حيث يمكن أن تكون المواد القائمة على البلاديوم هي الحل.‏

قد يكون عصر جديد من الموصلات الفائقة على وشك البدء: في الثمانينيات ، كانت ‏العديد من المواد فائقة التوصيل (تسمى النحاسات) تعتمد على النحاس. ثم تم ‏اكتشاف النيكل - نوع جديد من المواد فائقة التوصيل التي تعتمد على النيكل.‏

إنه أحد أكثر السباقات إثارة في الفيزياء الحديثة. في السنوات الأخيرة ، بدأ عصر ‏جديد من الموصلية الفائقة باكتشاف النيكل. تعتمد هذه الموصلات الفائقة على النيكل ‏، ولهذا يتحدث العديد من العلماء عن "عصر النيكل لأبحاث الموصلية الفائقة". في ‏كثير من النواحي ، تشبه النيكل النحاسيات ، التي تعتمد على النحاس وتم اكتشافها ‏في الثمانينيات.‏

الآن تدخل فئة جديدة من المواد في المجال، فبالتعاون بين ‏TU Wien‏ والجامعات ‏في اليابان ، كان من الممكن محاكاة سلوك المواد المختلفة بشكل أكثر دقة على ‏الكمبيوتر من ذي قبل.‏

وهناك "منطقة ‏Goldilocks‏" تعمل فيها الموصلية الفائقة بشكل جيد. ولا يتم ‏الوصول إلى هذه المنطقة بالنيكل ولا بالنحاس ، بل بالبلاديوم. يمكن أن يؤدي هذا ‏إلى "عصر جديد من المسطحات" في أبحاث الموصلية الفائقة.‏

البحث عن موصلات في درجة حرارة أعلى

في درجات الحرارة الدافئة ، تتصرف الموصلات الفائقة بشكل مشابه جدًا للمواد ‏الموصلة الأخرى. ولكن عندما يتم تبريدهم إلى ما دون "درجة حرارة حرجة" ‏معينة ، فإنهم يتغيرون بشكل كبير ، وتختفي مقاومتهم الكهربائية تمامًا وفجأة ‏يمكنهم توصيل الكهرباء دون أي خسارة. يسمى هذا الحد ، الذي تتغير عنده المادة ‏بين حالة التوصيل الفائق وحالة التوصيل الطبيعي ، "درجة الحرارة الحرجة".‏

قال البروفيسور كارستن هيلد من معهد فيزياء الحالة الصلبة في جامعة ‏TU ‎Wien‏: "لقد تمكنا الآن من حساب" درجة الحرارة الحرجة "لمجموعة كاملة من ‏المواد. من خلال النمذجة على أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء ، تمكنا من التنبؤ ‏بمخطط طور الموصلية الفائقة للنيكل بدرجة عالية من الدقة ، كما أظهرت ‏التجارب لاحقًا ".‏

وتصبح العديد من المواد فائقة التوصيل فقط فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة ‏مئوية) ، بينما تحتفظ مواد أخرى بخصائصها فائقة التوصيل حتى في درجات ‏حرارة أعلى بكثير. إن الموصل الفائق الذي لا يزال فائق التوصيل في درجة ‏حرارة الغرفة العادية والضغط الجوي الطبيعي سيحدث ثورة أساسية في الطريقة ‏التي نولد بها الكهرباء وننقلها ونستخدمها.‏

ومع ذلك ، لم يتم اكتشاف هذه المواد بعد. ومع ذلك ، تلعب الموصلات الفائقة عالية ‏الحرارة ، بما في ذلك تلك الموجودة في فئة ‏cuprate‏ ، دورًا مهمًا في التكنولوجيا ‏‏- على سبيل المثال ، في نقل التيارات الكبيرة أو في إنتاج مجالات مغناطيسية قوية ‏للغاية.‏

نحاس؟ نيكل؟ أم بالاديوم؟

من الصعب البحث عن أفضل المواد فائقة التوصيل الممكنة. هناك العديد من ‏العناصر الكيميائية المختلفة التي هي موضع تساؤل. يمكنك تجميعها معًا في هياكل ‏مختلفة ، ويمكنك إضافة آثار صغيرة من العناصر الأخرى لتحسين الموصلية ‏الفائقة.‏

لاحظ البروفيسور هيلد ، "للعثور على مرشحين مناسبين ، عليك أن تفهم على ‏المستوى الكمي الفيزيائي كيف تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض في المادة."‏

أظهر هذا أن هناك قوة مثلى لتفاعل الإلكترونات. يجب أن يكون التفاعل قويًا ، ‏ولكن ليس قويًا أيضًا. هناك "منطقة ذهبية" بينهما تجعل من الممكن تحقيق أعلى ‏درجات حرارة انتقالية.‏

البلاديوم كحل أمثل

لا يمكن الوصول إلى هذه المنطقة الذهبية للتفاعل المتوسط مع النحاسيات ولا ‏بالنيكلات ، ولكن يمكن للمرء أن يضرب عين الثور بنوع جديد من المواد: ما ‏يسمى ‏palladates‏.‏

وأوضح البروفيسور هيلد أن "البلاديوم يقع مباشرة تحت النيكل بخط واحد في ‏الجدول الدوري. الخصائص متشابهة ، لكن الإلكترونات الموجودة هناك في ‏المتوسط بعيدة إلى حد ما عن النواة الذرية وعن بعضها البعض ، وبالتالي يكون ‏التفاعل الإلكتروني أضعف ".

‏
توضح حسابات النموذج كيفية تحقيق درجات حرارة انتقالية مثالية لبيانات ‏البلاديوم. علق البروفيسور هيلد: "النتائج الحاسوبية واعدة للغاية". نأمل أن نتمكن ‏الآن من استخدامها لبدء البحث التجريبي. إذا كان لدينا فئة إضافية جديدة تمامًا من ‏المواد المتاحة مع ‏palladates‏ لفهم الموصلية الفائقة بشكل أفضل ولإنشاء ‏موصلات فائقة أفضل ، فقد يؤدي ذلك إلى دفع مجال البحث بأكمله إلى الأمام ".‏

يبدو أن هذه أخبار جيدة للغاية. يكشف أن فهم ما يحدث عند حدوث الموصلية ‏الفائقة يتحسن كثيرًا. هنا يكمن الطريق إلى مستقبل فائق التوصيل.‏

المشكلة القادمة هي أن البلاديوم ليس عنصرًا منخفض التكلفة. ولا توجد احتياطيات ‏ضخمة معروفة. قد يتذكر المرء أن الطلب عليه لم يقاس بملايين الأطنان أيضًا. لذا ‏فإن كيفية عمل هذه المسألة لا يمكن التنبؤ بها بدرجة كبيرة حتى الآن وقد يستغرق ‏الأمر بعض الوقت قبل أن تتوفر الأرقام الجيدة بسهولة.‏

من العدل الاعتقاد بأن الموصلية الفائقة ستصل إلى بعض الاستخدامات التجارية ‏يومًا ما. يبدو أن السؤال يتعلق بالتطبيقات الاقتصادية.‏

من المؤكد أن هذا سيزيد من الاهتمام بعلم المعادن. لا تزال أبحاث الموصلية الفائقة ‏حديثة العهد. أهداف التصميم تحصل على فهم أفضل. من المؤكد أنه سيكون هناك ‏مزيد من التقدم والاختراقات أكثر تواترا. هذه التكنولوجيا بدأت للتو.‏