اكتشاف جامعة سنغافورة الوطنية مادة خالية من النحاس ذات توصيلية فائقة في درجات حرارة مرتفعة

الإمكانات التوصيل الفائق

الكهرباء هي واحدة من أهم التقنيات التي اخترعها الإنسان على الإطلاق. في شكلها المعتاد، تتعامل دائمًا مع مستوى من المقاومة الكهربائية، مما يولد حرارة عندما يتدفق التيار الكهربائي.
هذا يمكن أن يفرض قيودًا شديدة على بعض التطبيقات التي تتطلب تيارات أو حقول مغناطيسية قوية جدًا، حيث قد يؤدي ذلك إلى ذوبان النظام الكهربائي بالكامل.

بديل لذلك هو التوصيل الفائق، وهو ظاهرة تنخفض فيها المقاومة الكهربائية إلى الصفر. ومع ذلك، لفترة طويلة جدًا، كان يمكن ملاحظتها فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا، قريبة من الصفر المطلق (0 K)، أي حوالي -273°C/-387°K.

هذا تغير مع اكتشاف منح جائزة نوبل في الفيزياء عام 1987: الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية المصنوعة من أكسيدات النحاس.

بدون التوصيل الفائق، لا يمكن تحقيق الكثير من التقنيات الحديثة، بما في ذلك مسارعات الجسيمات (على سبيل المثال، CERN)، وأجهزة الرنين المغناطيسي (MRI)، وقطارات المغناطيسية.

سيكون التوصيل الفائق أيضًا مكونًا حاسمًا في أكثر المشاريع الضخمة والابتكارات التكنولوجية واعدة، مثل ITER والاندماج النووي، محركات الدفع الكتلية، الحواسيب الكمومية، وغيرها.

قد تكون خطوط الطاقة الكهربائية الخالية من الفقدان أيضًا حاسمة في تطوير وصلات شبكة فائقة الطول تساعد على تخزين إنتاج الطاقة المتجددة عبر ظروف الطقس ومناطق الزمن، مما يحل بعض قيود الطاقة الشمسية والرياح.

المصدر: XOT Metals

التوصيل الفائق في درجات حرارة مرتفعة

في الوقت الحالي، يجعل شرط درجة الحرارة المنخفضة التوصيل الفائق مجديًا اقتصاديًا فقط للتطبيقات المتقدمة مثل: القطارات المغناطيسية، وأجهزة الرنين المغناطيسي، وغيرها.

وبينما هو مثير علميًا، فإن التوصيل الفائق تحت ضغط عالٍ لا يُعد مفيدًا عمليًا إلى حد كبير.

حدث تقدم كبير مؤخرًا في مجال التوصيل الفائق قد يغير الوضع:

• يبدو الآن أن المادة التي تُنتج تحت ضغط عالٍ قد تحتفظ ببعض خصائصها الفائقة عند ضغط أقل من خلال طريقة تجريبية تُسمى بروتوكول الإخماد بالضغط (PQP).
• الطبقة الملتوية من WSe₂ (التنغستن السيليني) تبدو كمرشح مادة جيد للموصلات الفائقة ذات درجات حرارة أعلى أيضًا.
• فئة جديدة أخرى من الموصلات الفائقة المحتملة، النيكليتات ذات الطبقتين، قد أضيفت إلى القائمة هذا العام.
• ثم ظهرت الحالة المحيرة لـLK-99 (شكل من أباتيت الرصاص المستبدل بالنحاس – CSLA)، وهو محتمل أن يكون نوعًا جديدًا من الموصل الفائق عند الضغط الجوي ودرجة حرارة الغرفة.
  • تم التشكيك في الادعاء على الفور وانتقاده كخدعة أو خطأ قياس، لكن اكتشف باحثون آخرون أنه قد يكون هناك شيء يحدث بالفعل.

على الرغم من هذه الاكتشافات الجديدة، لا يزال التوصيل الفائق إلى حد كبير ظاهرة غير مفهومة جيدًا، مع الكثير من التجارب العشوائية للعثور على مواد جديدة تتمتع بهذه الخاصية. لذا يلزم إطار نظري أفضل.

تم العثور على جزء من اللغز في مارس 2025، مع فهم أفضل للدرجات الحرارية الممكنة للتوصيل الفائق (Tc).

واحد آخر هو إنشاء باحثين في الجامعة الوطنية في سنغافورة نموذج نظري جديد أدى بالفعل إلى اكتشاف مادة موصلة فائقة خالية من النحاس. تم الإعلان عن هذا الإنجاز مؤخرًا في مجلة علمية مرموقة “Nature”¹، تحت عنوان “التوصيل الفائق الضخم عند حوالي 40 K في SmNiO2 المدمَّج بالثقوب تحت الضغط الجوي”.

نموذج جديد للتوصيل الفائق

شرح التوصيل الفائق

عمل الباحثون على تطوير نموذج نظري جديد يشرح كيفية عمل التوصيل الفائق. هذا موضوع معقد، يمكن تلخيصه ببعض المفاهيم الأساسية:

أزواج كوبر، أو إلكترونان مرتبطان معًا من خلال تأثير كمومي، هما عنصر أساسي لجعل المادة موصلة فائقة.

إن تكثف أزواج كوبر هو ما يخلق التوصيل الفائق، على الأقل وفقًا للباحثين الذين شرحوا التوصيل الفائق في المقام الأول (نظرية باردين–كوبر–شريفر، أو نظرية BCS)، والتي فازت بـ جائزة نوبل في الفيزياء عام 1972 لهذه الفكرة.

إنها الفونونات، أو الاهتزاز على المستوى الكمومي لشبكة المادة، التي تدفع تكوين أزواج كوبر. عندما تتشكل أزواج كوبر بما يكفي، يسمح ذلك لحركة الإلكترونات عبر المادة دون تصادم، مما يلغي المقاومة الكهربائية.

المصدر: Fiveable

التنبؤ وإنتاج موصلات فائقة جديدة

يساعد النموذج الجديد الذي يتنبأ بتكوين أزواج كوبر الباحث على توقع العديد من الموصلات الفائقة المحتملة، بما في ذلك العديد التي لا تحتوي على أي ذرات نحاس.

ثم نجحوا في تخليق أحد المواد المتوقعة: أكسيد النيكل ساماريوم-يوروبيم-كالسيوم (Sm-Eu-Ca)NiO₂.

“كما توقعنا وصممنا، يُظهر هذا الأكسيد غير القائم على النحاس توصيلًا فائقًا عند درجات حرارة عالية تحت الضغط الجوي على مستوى سطح البحر، دون الحاجة إلى ضغط إضافي—تمامًا مثل أكسيدات النحاس.

تشير هذه النتيجة إلى أن التوصيل الفائق غير التقليدي عند درجات حرارة عالية ليس حصريًا للنحاس بل قد يكون خاصية أكثر انتشارًا بين العناصر في الجدول الدوري.”

د. ستيفن لين إير تشاو – باحث في الجامعة الوطنية في سنغافورة

كما أكدوا عدم وجود مقاومة كهربائية (توصيل فائق) فوق 30 K في هذا المركب. هذا ليس مجرد مادة جديدة للتجربة فحسب، بل دليل على أن النموذج الذي استخدموه له قيمة تنبؤية، مما يعني على الأرجح أن المواد الفائقة الأخرى المتوقعة قد تعمل أيضًا. هذا هو أول اكتشاف لموصل فائق عالي الحرارة منذ التسعينيات.

المصدر: الجامعة الوطنية في سنغافورة

زهاويانغ لوو، طالب دكتوراه في الجامعة الوطنية في سنغافورة، أظهر البلورية العالية والنقاء الطوري للمادة المُصنَّعة باستخدام المجهر الإلكتروني. يجعل هذا المادة الجديدة مستقرة جدًا، مما يجعلها مرشحًا جيدًا لتطبيقات صناعية مستقبلية محتملة.

“هذه هي المرة الأولى منذ اكتشاف فوز بجائزة نوبل أن تم العثور على أكسيد موصل فائق عالي الحرارة خالٍ من النحاس يعمل تحت الضغط الجوي.

بالإضافة إلى ذلك، هذه المادة الجديدة مستقرة للغاية تحت الظروف الجوية، مما يحسن من إمكانية الوصول إليها بشكل كبير.”

أ. Ariando – أستاذ في الجامعة الوطنية في سنغافورة

طريقة إنتاج المادة الجديدة قوية أيضًا، دون ظهور أي عيوب هيكلية أثناء العملية، مما يزيد من إمكانات التطبيقات العملية.

التطبيقات والتطوير المستقبلي

الآن بعد أن أصبح لديهم إطار نظري أكثر صلابة، يمكن للباحثين محاولة ضبط بعض المعلمات المحددة للمواد الفائقة. على وجه الخصوص، يذكرون الخصائص الذرية والجزيئية مثل تحويل إشغال الإلكترونات والضغط الهيدروستاتيكي.

قد يفتح هذا الطريق إما إلى أنواع جديدة تمامًا من الموصلات الفائقة أو ربما إلى عائلة جديدة من الموصلات الفائقة ذات درجات حرارة تشغيل أعلى.

أي موصل فائق بدرجة حرارة أعلى يمكن تصنيعه على نطاق واسع قد يكون له تأثيران رئيسيان:

• تقليل تكلفة التقنيات الحالية التي تستخدم الموصلات الفائقة بشكل جذري، مما يجعلها أكثر ديموقراطية، خاصةً في القطارات المغناطيسية وأجهزة الرنين المغناطيسي.
• فتح مجالات استخدام جديدة، خاصة إذا وصلت درجة حرارة Tc إلى ما يكفي لتطابق النيتروجين السائل (-196°C / -320°F)، وهو مبرد أرخص وأسهل إنتاجًا من المبردات الحالية المستخدمة للمواد الفائقة.
  • قد تشمل هذه التطبيقات نقل الطاقة، وتخزين الطاقة، والليزر، والسفن، والدفع الفضائي والوصول إلى المدار (محركات الدفع الكتلية)، وغيرها.

هذا الملاحظة لها تداعيات عميقة لكل من الفهم النظري والتنفيذ التجريبي لمجموعة أوسع من المواد الفائقة ذات تطبيقات عملية في الإلكترونيات الحديثة،

أ. Ariando – أستاذ في الجامعة الوطنية في سنغافورة

القادة في حلول التوصيل الفائق

شركة American Superconductor Corporation

تُعد AMSC شركة تقدم حلولًا طاقة لشبكات الكهرباء، والسفن، وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كان النظام أكثر استهلاكًا للطاقة أو أكبر حجمًا، كلما احتاج إلى تقنية موصل فائق لتجنب السخونة الزائدة.

على الرغم من اسمها، لا توفر ASMC أنظمة موصلات فائقة فقط بل تقدم أيضًا، على سبيل المثال، أنظمة نقل الحركة لتوربينات الرياح.

تستفيد الشركة من عدة محركات نمو، بدءًا من اتجاه التحول إلى الكهرباء الرقمية (بما في ذلك مراكز البيانات التي تعتمد على الذكاء الاصطناعي)، إلى إعادة توطين قدرات التصنيع الأمريكية والحاجة إلى تحديث أساطيل البحريات في الدول الناطقة بالإنجليزية 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. كان ذلك مدفوعًا بمصانع أشباه الموصلات التي تسعى للحماية من تقلبات شبكة الكهرباء، ومساعدة الشبكة على التعامل مع الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة، وإمداد الطاقة والتحكم في المواقع الصناعية.

في قطاع توربينات الرياح، تنشط AMSC أساسًا مع نظام التحكم الكهربائي (ECS). تاريخيًا، كان ESC قطاعًا قويًا للشركة مع توربينات الرياح بقدرة 2 ميجاواط، لكنه تراجع تدريجيًا. تستهدف AMSC انتعاشًا بفضل تصميم توربين جديد بقدرة 3 ميجاواط، مع تركيز خاص على السوق الهندية.

المصدر: American Superconductor Corporation

بالنسبة للسفن العسكرية، توفر ASMC نظام “مكافحة الألغام المغناطيسية باستخدام موصل فائق عالي الحرارة” الخاص بـ AMSC، وهو نظام لتعديل البصمة المغناطيسية للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. يُباع هذا النظام للبحريات الأمريكية والكندية والبريطانية، مع طلبات بقيمة 75 مليون دولار حتى الآن.

بشكل عام، تحقق ASMC أفضل أداء من خلال استغلال تقنية الموصل الفائق في التطبيقات المتخصصة المتاحة اليوم، بينما من المحتمل أن تكون جاهزة لنشر مزيد من التقدمات في المستقبل. يجب أيضًا على المستثمرين ملاحظة أن السهم شهد تقلبًا شديدًا في الماضي، ويجب عليهم حساب المخاطر وفقًا لذلك.

أحدث الأخبار عن شركة American Superconductor Corporation

الدراسات المشار إليها:

^{1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. التوصيل الفائق الضخم عند حوالي 40 K في SmNiO2 المدمَّج بالثقوب تحت الضغط الجوي2. Nature. 20 مارس 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}