الأحزمة المسطحة في معادن كاغومي قد تفتح الطريق أمام الموصلات الفائقة المستقبلية

تقدم جديد في موصلات كاغومي الفائقة

Superconductors are materials that carry electricity without resistance, but until now, they have only worked under extreme conditions. Kagome metals may change that.”
This grounds readers who may not be physics-savvy.

في نوفمبر 2024، ناقشنا مادة جديدة لنظريات مغناطيسية جديدة, تم تطويرها بواسطة باحثين في جامعة رايس.

بُني هذا الاكتشاف على على منشور عام 2022, حيث اكتشف الباحثون أن “مادة كاغومي”، وهو نوع من البلورات المعدنية، يُظهر خصائص مغناطيسية مفاجئة.

تحمل اسمها من نمط الحياكة كاغومي المستخدم في الحرف اليابانية التقليدية، أو التبليط الثلاثي السداسي، الذي يتضمن مثلثات متداخلة وفراغات سداسية كبيرة.

المصدر: Research Gate

وبطريقة مشابهة، تُنظم مواد كاغومي، مثل، على سبيل المثال، بلورات الحديد-جرمانيوم المغناطيسية، وفق هذا النمط على المستوى الذري.

معدن كاغومي آخر قائم على الكروم، CsCr₃Sb₅ (سيزيوم-كروم-أنتيمون)، يبدو أنه يمتلك إمكانات هائلة لمكونات الإلكترونيات المستقبلية، بما في ذلك الموصلات الفائقة، والعوازل الطوبولوجية، والإلكترونيات القائمة على الدوران، وفقًا لأحدث ورقة بحثية من باحثي جامعة رايس، نُشرت في مجلة Nature Communications¹ تحت عنوان “الإثارات الدورانية والأحزمة الإلكترونية المسطحة في موصل كاغومي قائم على الكروم”.

الخصائص المغناطيسية والإلكترونية لمواد كاغومي

حتى عام 2022، تم ملاحظة خصائص فريدة لمادة كاغومي:

• تتطلب التأثيرات المغناطيسية تدفق الإلكترونات حول مثلثات كاغومي، مشابهة للموصلية الفائقة.
  • على الرغم من أن هذه التأثيرات المغناطيسية وموجات كثافة الشحنة ليست موصلية فائقة بالمعنى التقليدي، فقد أكد الباحثون أن مثل هذه الظواهر في مواد كاغومي يمكن أن تستمر حتى في درجة حرارة الغرفة وظروف الضغط العادي. وهذا يجعلها خطوات قيمة نحو اكتشاف موصلات فائقة ذات درجات حرارة أعلى.
• وجود “موجة كثافة الشحنة”، حيث “تندمج” الإلكترونات معًا في موجة جماعية، تحمل التيار الكهربائي بشكل موحد.
  • على عكس الموصلية الفائقة “العادية”، تظهر هذه الظاهرة على شكل نبضات، مثل تدفق الماء من صنبور، وليس تدفقًا إلكترونيًا مستمرًا.
• على الرغم من إظهار موجات كثافة الشحنة، تُظهر مواد كاغومي أيضًا خصائص مغناطيسية، والتي عادةً ما تكون خاصيتين غير متوافقتين.

بشكل عام، قد تجعل الطبيعة المنظمة للغاية لمواد كاغومي من السهل دراسة الظواهر على حافة فهمنا للكهرومغناطيسية، مثل “الموصلية الفائقة غير التقليدية” أو “التقلبات المستمرة بين الحالات المغناطيسية في سوائل الدوران الكمومية”.

صنع موصل كاغومي فائق

الأحزمة المسطحة الإلكترونات 

الإلكترونات ذات الأحزمة المسطحة هي إلكترونات في نوع خاص من حزمة طاقة الإلكترون التي لها طاقة ثابتة، أو تشتت “مسطح”، مما يعني أن الإلكترونات تمتلك نفس الطاقة الحركية بغض النظر عن زخمها.

بشكل أقل تقنية، يعني ذلك حالة فائقة الكثافة، حيث يمكن للإلكترونات أن تتصرف كموصلات فائقة، ولكن دون الشروط المسبقة المعتادة للموصلية الفائقة (درجة حرارة منخفضة جدًا، أو ضغط عالٍ جدًا).

حتى الآن، كان تثبيت شبكات كاغومي لجلب الأحزمة المسطحة إلى مستوى الطاقة المطلوب صعبًا. حتى تم استخدام CsCr₃Sb₅.

“Our results confirm a surprising theoretical prediction and establish a pathway for engineering exotic superconductivity through chemical and structural control,”
Pengcheng Dai – Rice’s Department of Physics and Astronomy

بناء البلورة الصحيحة

CsCr₃Sb₅ يتبلور طبيعيًا في شبكة سداسية متعددة الطبقات.

المصدر: Nature Communications

مع ذلك، لملاحظة التأثير على نطاق واسع والحصول على مادة ستكون مفيدة للتطبيقات التجارية المستقبلية، كان من الضروري وجود بلورة أكبر بكثير.

من خلال تحسين طرقهم السابقة، تمكن الباحثون من إنتاج عينات أكبر بمقدار 100 مرة مقارنةً بما تم إنجازه سابقًا.

تحليل ARPES وRIXS لموصل كاغومي CsCr₃Sb₅

لتصوير البنية الإلكترونية لـ CsCr3Sb5، استخدم الباحثون تقنية تُدعى ARPES (مطيافية الانبعاث الضوئي المستقطبة زاويًا). تُنشئ خريطة للإلكترونات تحت الضوء الناتج عن مسرع جسيمات (مصباح سينكروتروني).

المصدر: Nature Communications

كشفت عن توقيعات مميزة مرتبطة بالمدارات الجزيئية المدمجة، إشارة إلى الأحزمة الإلكترونية المسطحة، وأكدت أن جميع هندسات الاستقطاب تساهم في تكوين الأحزمة المسطحة.

“تُظهر نتائج ARPES وRIXS لفريقنا المتعاون صورة متسقة تُظهر أن الأحزمة المسطحة هنا ليست مجرد مراقبين سلبيين بل مشاركين نشطين في تشكيل المشهد المغناطيسي والإلكتروني.”
Qimiao Si – Rice’s Department of Physics and Astronomy

ثم استخدموا RIXS (التشتت الأشعاعي غير المرن المتناغم) لقياس حالات الإثارة المغناطيسية.

أكد هذا أيضًا وجود الأحزمة المسطحة، بغض النظر عن نتائج ARPES.

المصدر: Nature Communications

تأثيرات درجة الحرارة على إمكانات الموصلية الفائقة في كاغومي

ثم فحص العلماء تأثير تغير درجة الحرارة على خصائص هذه المادة الجديدة.

على عكس المواد الفائقة المحتملة الأخرى، كانت الخصائص أفضل عند 140°K (-133°C / -207°F) مقارنةً بـ 10°K (-263°C / -441°F).

المصدر: Nature Communications

بشكل عام، لم تُحدد هذه التجارب مادة جديدة واعدة فحسب، بل أظهرت أيضًا أن هندسة الشبكة مرتبطة مباشرة بالحالات الكمومية الناشئة.

“من خلال تحديد الأحزمة المسطحة النشطة، أثبتنا وجود صلة مباشرة بين هندسة الشبكة والحالات الكمومية الناشئة،”
Ming Yi – Rice’s Associate Professor of Physics and Astronomy.

التطبيقات المحتملة

كثافة الحالات من الأحزمة المسطحة تقع عند مستويات الطاقة القريبة من نقطة حرجة كمومية، مما قد يتيح الموصلية الفائقة.

هذا أيضًا تحسين مقارنةً بشبكة معادن كاغومي السابقة، حيث توفر الأحزمة المسطحة لكاغومي كثافة حالات عالية عبر جزء أكبر بكثير من المادة.

كما يخفّض CsCr3Sb5 موجة الكثافة التي لوحظت في مواد كاغومي الأخرى، مما يعزز إمكانات الموصلية الفائقة لديها.

مُشابه للحالة الجديدة للمادة التي طوّرها فريق الحوسبة الكمومية لشركة مايكروسوفت (MSFT ).

يمكن أن يكون له أيضًا إمكانات كـ “مجرد” موصل فائق عالي الحرارة، والذي يمكن استخدامه في تقنية الماجليف، والتكنولوجيا العسكرية، وتوليد الطاقة.

اسحب للتمرير →

القادة في حلول الموصلية الفائقة

AMSC هي شركة تقدم حلول طاقة لشبكة الكهرباء، والسفن، وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كان النظام أكثر استهلاكًا للطاقة أو أكبر حجمًا، كلما احتاج إلى تقنية الموصلية الفائقة لتجنب السخونة الزائدة.

على الرغم من اسمها، توفر ASMC ليس فقط أنظمة الموصلية الفائقة ولكن أيضًا، على سبيل المثال، أنظمة تروس لتوربينات الرياح.

تستفيد الشركة من عدة محركات نمو، بدءًا من اتجاه الكهربة والرقمنة (بما في ذلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي)، وكذلك إعادة توطين قدرات التصنيع الأمريكية والحاجة إلى تحديث أساطيل البحرية في دول الأنجلوسفير استجابةً للمخاطر الجيوسياسية المتزايدة.

المصدر: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

في قطاع إمداد الطاقة، شهدت AMSC ارتفاعًا ثابتًا في الطلبات. تم تحفيز ذلك من قبل مصانع أشباه الموصلات التي تسعى للحماية من تقلبات شبكة الكهرباء، ومساعدة الشبكة على التعامل مع طبيعة الطاقة المتجددة المتقطعة، وإمداد الطاقة والتحكم في المواقع الصناعية.

في قطاع توربينات الرياح، تنشط AMSC بشكل أساسي بنظام التحكم الكهربائي (ECS). تاريخيًا، كان ESC قطاعًا قويًا للشركة مع توربينات الرياح بقدرة 2 ميجاواط، لكنه تراجع تدريجيًا. تهدف AMSC إلى انتعاش بفضل تصميم التوربين الجديد بقدرة 3 ميجاواط، مع تركيز خاص على السوق الهندية.

المصدر: American Superconductor Corporation

بالنسبة للسفن العسكرية، توفر ASMC نظام “مكافحة الألغام المغناطيسية للموصل الفائق عالي الحرارة من AMSC”، وهو نظام لتغيير التوقيع المغناطيسي للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. يُباع هذا النظام لبحريات الولايات المتحدة وكندا والمملكة المتحدة، مع طلبات بقيمة 75 مليون دولار حتى الآن.

بشكل عام، تتفوق ASMC في استغلال تقنية الموصلية الفائقة في التطبيقات المتخصصة المتاحة اليوم، مع احتمالية جاهزيتها لتطبيق المزيد من التقدمات في المستقبل. يجب على المستثمرين أيضًا ملاحظة أن السهم شهد تقلبًا شديدًا في الماضي، ويجب عليهم حساب المخاطر وفقًا لذلك.

أحدث أخبار وتطورات سهم شركة American Superconductor Corporation (AMSC)

الدراسة المشار إليها

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. الإثارات الدورانية والأحزمة الإلكترونية المسطحة في موصل كاغومي قائم على الكروم. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}