تقنية الاختراق تكشف الأسرار الذرية للموصلات الفائقة التي حطمت الأرقام القياسية

حقق العلماء أول إنجاز في دراسة هيدريدات اللانثانوم الفائقة، وهي فئة من المواد التي يمكن أن تساعد في فتح الموصلية الفائقة في درجات حرارة أعلى بكثير.

كان حلم نقل الكهرباء دون فقدان الطاقة هو الدافع وراء عقود من أبحاث الموصلية الفائقة. بعض من أكثر المرشحين الواعدين حتى الآن هي الهيدريدات الفائقة، وهي مواد غنية بالهيدروجين أظهرت، تحت ضغوط هائلة، سلوكًا فائق التوصيل عند درجات حرارة أعلى بكثير من الموصلات الفائقة التقليدية.

الآن، فريق دولي يضم علماء من مركز هيلمهولتز دريسدن روسيندورف (هزدر) حقق اختراقًا رئيسيًا في دراسة هذه المواد، باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) لسبر هيدريدات اللانثانوم تحت ضغط شديد لأول مرة.

الموصلات الفائقة هي مواد تفقد كل مقاومتها الكهربائية تحت درجة حرارة حرجة خاصة بكل مادة. وهذا يسمح للكهرباء بالتحرك من خلالها دون فقدان الطاقة. في معظم الموصلات الفائقة المعروفة، يحدث هذا التحول تحت درجة حرارة أقل من 140 كلفن تقريبًا (ناقص 133 درجة) مئوية)، مما يعني أن الاستخدام العملي يتطلب أنظمة تبريد متطلبة. ولهذا السبب، يبحث العلماء عن مواد يمكن أن تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى بكثير.

الهيدريدات الفائقة هي مركبات غنية بالهيدروجين، حيث يوجد معدن، مثل اللانثانم، داخل شبكة هيدروجينية معبأة بإحكام. تحت ضغط هائل، مشابه للظروف الموجودة داخل الكواكب، يمكن لهذه المواد تطوير خصائص إلكترونية غير عادية وقد تظهر موصلية فائقة قريبة من درجة حرارة الغرفة. إنهم يحملون حاليًا الرقم القياسي العالمي لأعلى درجة حرارة انتقالية حرجة حيث تم ملاحظة علامات الموصلية الفائقة.

وللوصول إلى هذه الظروف، يقوم الباحثون بضغط العينات في خلايا سندان الماس، وضغطها بين ماستين تحت ضغط أكبر من مليون ضغط جوي. وتكمن الصعوبة في أن العينات صغيرة للغاية، لذا فإن دراستها تتطلب دقة تجريبية استثنائية.

العدسات المغناطيسية الفائقة على مقياس مجهري

يعالج العمل الجديد هذا التحدي المتمثل في ما يسمى بعدسات لينز، وهي هياكل حلقية موصلة صغيرة تركز المجالات عالية التردد اللازمة للتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) مباشرة في حجم العينة. ومن خلال تركيز هذه المجالات وتضخيمها، تجعل العدسات قياسات الرنين المغناطيسي النووي ممكنة في ظل الظروف القاسية داخل خلية السندان الماسية.

“كان علينا تركيز المجالات عالية التردد على وجه التحديد حيث تقع العينة بين سندان الماس، على مساحة لا تتجاوز بضع عشرات من الميكرومترات، وهي أصغر من قطر شعرة الإنسان”، يوضح الدكتور فلوريان بارتل من مختبر المجال المغناطيسي العالي في دريسدن (HLD) في HZDR. “باستخدام عدسات لينز، تمكنا من تضخيم الإشارة عالية التردد إلى حد أنه، ولأول مرة، أصبحت بيانات الرنين المغناطيسي النووي ذات المعنى متاحة للهيدريدات الفائقة.” توفر القياسات معلومات مباشرة حول المواد على المستوى الذري وتساعد الباحثين على فهمها بشكل أكثر وضوحا.

أعلى المجالات المغناطيسية كاختبار إجهاد إضافي

سبق للفريق أن درس نفس المواد باستخدام مغناطيسات نابضة عالية المجال في HLD عن طريق قياس مقاومتها الكهربائية. تعمل هذه المجالات المغناطيسية كاختبار إجهاد للموصلات الفائقة لأنها تظهر أقصى شدة للمجال يمكن أن تظل عندها حالة الموصلية الفائقة مستقرة.

تظهر الصورة الكاملة لهذه الفئة من المواد فقط عند استخدام كلا الطريقتين معًا: دراسات الرنين المغناطيسي النووي تحت ضغط مرتفع وقياسات المقاومة في أقوى المجالات المغناطيسية.

تم إجراء البحث بالتعاون الوثيق مع متخصصين في الضغط العالي من مركز أبحاث الضغط العالي والتكنولوجيا المتقدمة (HPSTAR) في بكين. يقول الدكتور ديمتري سيمينوك: “كان التعاون مع HLD أمرًا بالغ الأهمية لمشروعنا”. “إن المرافق عالية المجال المتاحة هناك والخبرة في الأجهزة عالية التردد توفر الظروف المثالية لهذه التجارب.”

على المدى الطويل، يريد الباحثون أن يفهموا بشكل أفضل الآليات الفيزيائية وراء الموصلية الفائقة في المواد الغنية بالهيدروجين. ويمكن لهذه المعرفة أن تساعد في توجيه تطوير مواد جديدة لتقنيات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

مراجع:

“انتقال موجات التردد الراديوي والرنين المغناطيسي النووي في هيدريدات اللانثانوم الفائقة” بقلم دميتري ف. سيمينوك، وفلوريان بارتل، ودي تشو، وتوني هيلم، وسفين لوثر، ويواخيم ووسنيتزا، وإيفان أ. ترويان، وفيكتور ف. ستروجكين وهانس كون، 8 فبراير 2026، العلوم المتقدمة.
دوى: 10.1002/advs.202520701

“الهيدريدات الثلاثية الفائقة تحت ضغط نظرية أندرسون: الموصلية الفائقة شبه القياسية في (La, Sc)H12” بقلم دميتري فلاديميروفيتش سيمينوك، إيفان ألكساندروفيتش ترويان، دي تشو، أندريه فلاديميروفيتش ساداكوف، كيريل سيرجيفيتش بيرفاكوف، أوليغ ألكساندروفيتش سوبوليفسكي، آنا جيناديفنا إيفانوفا، ميشيل غالاسو، فريدريكو جيل ألابارس، ووهاو تشين، تشوانيينج شي، توني هيلم، سفين لوثر، فلاديمير مويسيفيتش بودالوف وفيكتور فيكتوروفيتش ستروجكين، 31 يوليو 2025، مواد وظيفية متقدمة.
دوى: 10.1002/adfm.202504748

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.