الموصلية الحرارية

ثقب أسود صغير يخترق سحابة هيدروجين فيمدد الذرات كما لو كانت حلوى مطاطية. هكذا يبدو الموصل الفائق عندما يُحتجز فيه تيار غير متبدد: المادة التي يتدفق فيها الكهرباء دون فقدان تتحول إلى مغناطيس دائم مصغر.

يُفتتح موسم السباحة عندما يبدو الماء محتملاً. لكن لكل شخص عتبته الخاصة: أحدهم يرتجف عند عشرين درجة، بينما يسبح آخر بهدوء عند خمس عشرة درجة. قرر العلماء معرفة سبب هذا الاختلاف. شبهوا جسم السباح بمنزل يحاول الاحتفاظ بالحرارة بينما تهب رياح باردة في الخارج. في الداخل، يشعل الموقد — وهي العضلات التي تولّد الحرارة عند الحركة.

معدن مكوّن من خمس ذرات مختلفة، مثل حساء تطفو فيه قطع الجزر والبازلاء والبطاطس والبصل واللحم. كل قطعة هي عنصر خاص بها: الكروم والفاناديوم والتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم. تسمى هذه السبيكة عالية الإنتروبيا: لا يوجد فيها نظام بلوري واحد، والذرات مختلطة بشكل شبه عشوائي. عادةً ما تكون المغناطيسية والموصلية الفائقة في عداء.

داخل سندان ألماسي يضغط العينة بقوة تفوق الضغط الجوي بملايين المرات، يلتقي غشاء رقيق من اللانثانوم بالهيدروجين. يأتي الهيدروجين من أمين البوران (ammonia-borane) — مسحوق يُطلق هيدروجينه عند التسخين، مثلما تُطلق الإسفنجة الماء. خلال دقائق من التسخين بالليزر، يولد غشاء هيدريد اللانثانوم — مادة توصل الكهرباء دون مقاومة عند سالب 26 درجة مئوية.

البطارية العادية تُطلق الحرارة بشكل متدرج: ما تخزنه تُخرجه. القدرة محددة مرة وإلى الأبد — مثل صنبور يتدفق منه الماء في تيار واحد. لكن في بعض الأحيان لا نحتاج إلى تدفق منتظم، بل إلى اندفاع قوي قصير: تسخين قطعة فورًا، أو إطلاق تفاعل، أو التخلص من حرارة زائدة. جمع العلماء جهازًا من أنبوبين يتدفق فيهما الماء باتجاهين متعاكسين — ساخن وبارد.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. لكن إذا ضغطته قليلاً، مثل الزنبرك، تتغير خصائصه. لطالما أراد العلماء قياس كمية الحرارة التي تمتصها هذه المادة المضغوطة، لكن الأجهزة لم تكن تتسع في الجهاز الضيق. الآن توصلوا إلى طريقة لتجاوز هذه العقبة.

كاميرا تراقب وجه الشخص ويديه، ومن خلال تغيرات طفيفة في حرارة الجلد تدرك أنه يمر بضغط نفسي. حرارة الجسم مثل حبر خفي يظهر عند الإجهاد. يندفع الدم إلى بعض المناطق وينسحب من أخرى، وتكون الصورة مختلفة لكل شخص. المهمة هي العثور في هذا النمط الحراري على المناطق واللحظات التي تكشف القلق. أجهزة الاستشعار المعتادة على المعصم تتطلب أن يرتديها الشخص.

إذا مررنا تيارًا كهربائيًا عبر موصلين ملحومين معًا، فإن نقطة اللحام تسخن أو تبرد — وهذا هو تأثير بلتييه (Peltier effect)، الذي تعمل به ثلاجات السيارات. لكن في التجربة الجديدة لم يكن هناك لحام ولا تيار عبر الحدود: قطعة من معدن متجانس كانت فقط موضوعة بجوار بلورة من عازل كهربائي حديدي (مادة تكون فيها الشحنات الكهربائية منزاحة مثل إبر البوصلة).

إذا مررنا تيارًا كهربائيًا عبر موصلين ملحومين معًا، فإن نقطة اللحام تسخن أو تبرد — وهذا هو تأثير بلتييه (Peltier effect)، الذي تعمل به ثلاجات السيارات. لكن في التجربة الجديدة لم يكن هناك لحام ولا تيار عبر الحدود: قطعة من معدن متجانس كانت فقط موضوعة بجوار بلورة من عازل كهربائي حديدي (مادة تكون فيها الشحنات الكهربائية منزاحة مثل إبر البوصلة).

الموصل العادي يسخن عند مرور التيار فيه — جزء من الطاقة يتبدد على شكل حرارة. الموصل الفائق يخلو من هذا العيب: التيار الكهربائي يتدفق فيه دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. المشكلة أن معظم الموصلات الفائقة تعمل إما في درجات حرارة منخفضة للغاية أو عند ضغوط هائلة تضاهي الظروف في باطن الكواكب. يسعى الكيميائيون منذ زمن طويل إلى إيجاد مواد تكفيها ظروف معتدلة.

داخل مغناطيس جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، يتدفق التيار في حلقة فائقة التوصيل مغلقة — مثل الماء الذي يدور في دائرة داخل دلو، بعد أن يُلف ليستمر في الجريان من تلقاء نفسه.

الماء الساخن بعد الاستحمام، والهواء الدافئ من التهوية، وجدران المحرك الساخنة — كلها حرارة منخفضة الجهد بدرجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. عادةً ما تتبدد في البيئة دون أن تؤدي عملًا مفيدًا. الآن ظهرت تقنية تسمح بالتقاط هذه الحرارة وتحويلها إلى كهرباء. داخل الجهاز الجديد يوجد سلك من سبيكة النيكل-تيتانيوم. هذه المادة تمتلك تأثير ذاكرة الشكل: عند التسخين تنكمش، وعند التبريد تعود إلى طولها الأصلي.

رقاقة دقيقة بحجم الظفر تطلق من الحرارة ما يعادل ما تطلقه مصباح صغير. تبديد هذه الحرارة يشبه محاولة إفراغ كوب من الشاي الساخن بملعقة صغيرة: فالمادة العازلة حول الترانزستورات عادةً ما تكون رديئة التوصيل للحرارة.

رقاقة دقيقة بحجم الظفر تطلق من الحرارة ما يعادل ما تطلقه مصباح صغير. تبديد هذه الحرارة يشبه محاولة إفراغ كوب من الشاي الساخن بملعقة صغيرة: فالمادة العازلة حول الترانزستورات عادةً ما تكون رديئة التوصيل للحرارة.

ألقِ حصاة في بركة ماء، وستنتشر دوائر على سطحها. وبالمثل، فإن أي جسم، حتى الأصغر منه، يزعج الحقل الثقالي حوله. في الفضاء البارد الفارغ، هذه الاضطرابات، مثل تموجات على سطح هادئ، تجعل جسمين متقاربين يتنافران دائمًا. تُعرف هذه الظاهرة باسم تفاعل كازيمير-بولدر الثقالي (Casimir–Polder interaction).

تخيل منزلًا بجدران من الفلين، وعندما يحل البرد يُغطى فجأة بصفائح نحاسية. هذا تقريبًا ما يفعله مركب FeSb₂ عندما يُشكَّل على هيئة غشاء بسمك بضع طبقات ذرية فقط. في الظروف العادية، هو عازل ضيق النطاق: الإلكترونات فيه محصورة، مثل جمهور في قاعة مكتظة، غير قادرة على التحرك بحرية.

شطيرة صغيرة من الأكاسيد، تُنمّى طبقة فوق طبقة، تصبح موصلة تمامًا عند درجة حرارة حوالي 200 درجة مئوية تحت الصفر. هذه ليست خدعة، بل فصل جديد في البحث عن مواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية.

في البلورة، تنتشر الحرارة عبر اهتزازات الشبكة البلورية. تهتز الذرات، وهذه الاهتزازات، التي تسمى فونونات — وهي إثارة جماعية تنقل الطاقة — تنقل الحرارة من الطرف الساخن إلى الطرف البارد.

وُضعت قطعة من غشاء أرق من شعرة الإنسان بين سنداني الماس وبدأ الضغط عليها. ارتفع الضغط — مئة ألف ضغط جوي، نصف مليون، مليون… والمادة واصلت توصيل التيار دون مقاومة. الضغط البالغ 210 جيجا باسكال يعادل وضع ألفي فيل على ظفر إبهام اليد. أظهر غشاء نيكلات اللانثانم-سترونشيوم (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) صورة مذهلة.

وُضعت قطعة من غشاء أرق من شعرة الإنسان بين سنداني الماس وبدأ الضغط عليها. ارتفع الضغط — مئة ألف ضغط جوي، نصف مليون، مليون… والمادة واصلت توصيل التيار دون مقاومة. الضغط البالغ 210 جيجا باسكال يعادل وضع ألفي فيل على ظفر إبهام اليد. أظهر غشاء نيكلات اللانثانم-سترونشيوم (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) صورة مذهلة.

الموصل الفائق يشبه سلكًا مثاليًا — يمر فيه التيار دون أي فقد. لكنه يتطلب تبريدًا شديدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن عن مواد تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق هو ألا ننتظر الطبيعة، بل أن نبني المادة بأنفسنا، طبقة فوق طبقة، مثل لعبة التركيب. اختبرت مجموعة من الباحثين نظرية تنبأت بظهور «قبة» فائقة التوصيل في بنى طبقية اصطناعية.

شريحة رقيقة من السيراميك، مثل غشاء الصابون، يجري فيها التيار دون أدنى مقاومة. هكذا تبدو الموصلية الفائقة التي أمكن تحقيقها في النيكلات، وهي أقرباء للموصلات الفائقة النحاسية الشهيرة. عادةً، كان يتطلب ذلك ضغطًا هائلًا يعادل الضغط في قاع المحيط. لكن العلماء الآن وجدوا طريقًا ملتويًا: لقد زرعوا الغشاء على ركيزة بلورية تضغطه بقوة مقدارها 2.14%.

تتصرف العديد من المواد مثل الجليد المتقلب: فهي تذوب عند ضغط معين، وتزداد صلابة عند ضغط آخر. والموصلات الفائقة من عائلة الكوبرات ليست استثناءً. فقدرتها على توصيل التيار دون فقدان تعتمد على مدى انضغاط الشبكة البلورية. في الدراسة الجديدة، تتبع الفيزيائيون هذا الاعتماد لمركب Bi-2223.

النهر يتفرع. أحد الفرعين واسع وسريع، تتدفق فيه المياه بسلاسة، لكن مع ارتفاع درجة الحرارة يتباطأ التيار: تظهر الدوامات والأمواج. الفرع الثاني ضيق، ذو منحدرات، حيث تقفز المياه من صخرة إلى أخرى. هذا التدفق، على العكس، يصبح أكثر حيوية مع التسخين. تقريباً هكذا، وفقاً لدراسة جديدة، يتصرف التيار الكهربائي في عائلة المعادن الغامضة — الأكتينيدات.

في الموصلات الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتدفق دون مقاومة. عادةً، تكون هذه الأزواج موزعة بشكل منتظم، مثل الماء في بحيرة هادئة. لكن في بعض الأحيان، يظهر تموج في المادة — تتكاثف الأزواج وتتخلخل بخطوة محددة. هذه الحالة تُسمى موصلية فائقة بموجة كثافة الأزواج.

الغرافين، ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة، تتصرف مثل سطح ماء هادئ — حتى يظهر التوصيل الفائق. عندها، تنتشر عبره موجات غير عادية، مثل دوائر تتشكل عند رمي حجر في الماء: أزواج من الإلكترونات تتحرك دون احتكاك. لكن في حالة خاصة، حالة كيرالية، تلتف هذه الموجات في اتجاه واحد، مثل الماء في مصرف حوض الاستحمام.

في كوب من الماء، يتجمع الزيت في قطرات — هذا فصل متوازن تمليه الكيمياء. لكن هناك أنظمة يُولد فيها النظام ليس من السكون، بل من تدفق مستمر للطاقة. حشد من الناس، نصفهم يسخن باستمرار ونصفهم يبرد، سرعان ما يعيد ترتيب نفسه: حتى لو كان الجميع مختلطين في البداية، سيجتمع الساخنون معًا، وينأى الباردون جانبًا — فقط لأن الحرارة تنتقل بينهم.

تُبرَّد قطعة من المعدن إلى مائتي درجة تحت الصفر، فيبدأ التيار الكهربائي بالجريان عبرها دون أدنى احتكاك — كما لو أن الماء في أنبوب يتدفق دون أن يلامس الجدران. هذا السلوك يُسمى الموصلية الفائقة. لفترة طويلة، بحث العلماء عنها في النيكلات — مركبات النيكل والأكسجين، المشابهة في بنيتها للموصلات الفائقة الكوبراتية الشهيرة.

تشكّل البلورات البيزوكهربائية المثبّتة على الجانبين الخارجي والداخلي للجدار المعدني قناة طاقة غير مرئية. البلورة الخارجية، عند تلقيها تيارًا كهربائيًا مترددًا، تبدأ بالاهتزاز، واهتزازاتها الميكانيكية، مثل تموّجات على سطح الماء، تنتشر في المعدن في كل الاتجاهات.

في قدر الحساء، يكفي مقياسا حرارة لمعرفة درجة الحرارة في كل مكان — إذا عرفنا أن الحرارة تسري في دوائر من القاع. وهكذا في العلم: بقياسات قليلة، ينبغي استعادة الصورة الكاملة لحقل الحرارة. النظام يلتقط جوهر العمليات الحرارية، بضغطها في بضعة أرقام - قواعد. كما يعرف الطبّاخ أن الحساء أشد سخونة في الوسط.

تخيّل الجزيء كسوقٍ نابض بالحياة: الإلكترونات-المتسوقون يدخلون من مدخلين — هما القطبان — ويندفعون نحو الأكشاك التي تعرض أطيب البضائع، أي المواقع النشطة كيميائياً. طالما اعتُقد أن التيار يتوزع في الجزيء بالتساوي، لكن الباحثين اكتشفوا صورة مختلفة: عبر هذه «النقاط الساخنة» — المراكز التفاعلية — يمر ما يصل إلى 90% من التدفق الكلي. وبشكل أساسي، تصبح هذه المراكز طرقاً سريعة فائقة التوصيل داخل الجزيء، موجّهةً حركة الشحنات.

داخل مفاعلات فوكوشيما المدمرة توجد مئات الأطنان من الوقود المنصهر - خليط من اليورانيوم والزركونيوم والحديد ونواتج الانشطار. يُطلق على هذا الحطام اسم حطام الوقود. يجب استخراجه ونقله وتغليفه بشكل آمن لعقود. لكن كيف سيتصرف هذا الخليط المتفجر عند التسخين أو الضغط أو الصدمة العرضية؟ للإجابة، نحتاج إلى أرقام دقيقة، وليس تخمينات. أحد المكونات الرئيسية للحطام هو مركب اليورانيوم مع الحديد UFe₂.

عندما يدفع الفيزيائيون الإلكترونات عبر قناة فائقة النقاء من زرنيخيد الغاليوم عند درجات حرارة الهيليوم، يتوقعون رؤية سائل مطيع شبه مثالي. ولكن مع زيادة التيار، تبدأ المقاومة في التقلب: تظهر على الرسوم البيانية نتوءات وانخفاضات لا تناسب ببساطة نموذج ньютоновскую. يتضح أن электронный поток يسخن نفسه – وبذلك يتغير "سلوكه" بشكل حاد.

الحرارة تحيط بنا في كل مكان: من أنبوب عادم السيارة إلى هيكل حاسوب محمول يعمل. يمكن للمواد الكهروحرارية أن تحول هذه الحرارة المهدورة إلى كهرباء. لكن للعثور على مواد فعالة حقًا بين مئات المركبات، يجب قياس معلمتين أساسيتين بسرعة ودقة: مدى جودة توصيل المادة للتيار الكهربائي، ومدى شدة توليدها لجهد كهربائي عند اختلاف درجات الحرارة (وهو ما يُعرف بمعامل زيبيك).

التنغستن — حقًا من الأثقال بين المعادن. يتحمل حرارة هائلة ولا يخاف الإشعاع، ولهذا يُقدَّر في مفاعلات الاندماج النووي. لكن هناك عقبة: في درجة حرارة الغرفة يتصرف كقطعة زجاج — يتشقق عند الصدمة بدلًا من أن ينحني. لإحيائه، يخلط علماء المعادن التنغستن مع عناصر أخرى مكوّنين ما يُسمى السبائك عالية الإنتروبي.

في كوب ساخن، قد يتجمد الماء أحيانًا أسرع من الماء الدافئ. لهذه المفارقة أكثر من نصف قرن، وتُعرف بتأثير ميمبا. عادةً ما يُربط بحركة السائل أو التبخر. الآن أظهر الفيزيائيون أن خدعة مماثلة ممكنة حتى بدون ماء — فقط عبر الإشعاع الحراري. ثاني أكسيد الفاناديوم (VO₂) عند 68°م يغيّر بنيته البلورية فجأة — من عازل إلى معدن.

في بلورة CsV3Sb5-xSnx، التي تصبح موصلًا فائقًا عند درجات حرارة منخفضة، لا يسري التيار كتدفق متصل، بل عبر مسارات ضيقة متعرجة. ساعد في رصد هذه المسارات مجهر ماسح مزود بمستشعر حساس للمجال المغناطيسي، يلتقط أدق التيارات كما يفحص مسبار الصدى قاع البحر. الصورة تذكرنا بشبكة جداول تشق الصخر: بعض المناطق تسمح بمرور التيار، بينما تظل أخرى محجوبة.

عادةً ما تكون الموصلية الفائقة قصة عن البرد. كلما انخفضت درجة الحرارة، أصبح من الأسهل للإلكترونات أن تقترن في أزواج وتتدفق دون مقاومة. لكن في دراسة جديدة، زرع الفيزيائيون أغشية رقيقة من النيكيلات (nickelates) مع إضافة اليوروبيوم، ورأوا الصورة المعاكسة. عند درجات حرارة أقل من 2.6 كلفن، تصرف العينة كمعدن عادي ذي مقاومة.

غشاء رقيق من أكسيد الإيتريوم-الباريوم-النحاس يُسخَّن في تيار من الأشعة تحت الحمراء — وفجأة يتوقف عن تبديد الطاقة. هذا هو التوصيل الفائق: تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك كسرب كمومي واحد. لكن في العينات منخفضة التطعيم، يختل الاتفاق قبل وقت طويل من تفكك الأزواج. الأزواج موجودة بالفعل، لكن الإيقاع الجماعي غائب.

مقياس حرارة يحول تدفق الحرارة إلى إشارة كهربائية — هكذا يعمل تأثير نيرنست الشاذ: في المادة المغناطيسية، تولد الحرارة جهدًا عرضيًا. حتى الآن، كان بإمكان المهندسين فقط تعديل هذه الإشارة قليلاً عن طريق تغيير نسب معدنين. العمل الجديد يضيف مكونًا ثالثًا — وتصبح الصورة أكثر تعقيدًا بشكل كبير.