يمكن أن تحدث الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة ثورة في الإلكترونيات – يشرح مهندس كهربائي إمكانات المواد

تصنع الموصلات الفائقة إلكترونيات عالية الكفاءة ، لكن درجات الحرارة شديدة الانخفاض والضغوط العالية جدًا اللازمة لجعلها تعمل مكلفة ويصعب تنفيذها. تعد الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة بتغيير ذلك.

الإعلان الأخير من قبل باحثين في جامعة روتشستر عن مادة جديدة هي موصل فائق في درجة حرارة الغرفة ، وإن كانت تحت ضغط مرتفع ، هو تطور مثير – إذا ثبت ذلك. إذا كانت المادة أو ما يشبهها تعمل بشكل موثوق ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة اقتصاديًا ، فقد تحدث ثورة في الإلكترونيات.

ستؤدي المواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة إلى العديد من الاحتمالات الجديدة للتطبيقات العملية ، بما في ذلك شبكات الكهرباء فائقة الكفاءة ، ورقائق الكمبيوتر فائقة السرعة والكفاءة في استخدام الطاقة ، والمغناطيسات فائقة القوة التي يمكن استخدامها لرفع القطارات والتحكم في مفاعلات الاندماج.

الموصل الفائق عبارة عن مادة تنقل تيارًا مباشرًا دون مواجهة أي مقاومة كهربائية. المقاومة هي خاصية المادة التي تعيق تدفق الكهرباء. يجب تبريد الموصلات الفائقة التقليدية إلى درجات حرارة منخفضة للغاية ، قريبة من الصفر المطلق.

في العقود الأخيرة ، طور الباحثون ما يسمى بالموصلات الفائقة عالية الحرارة ، والتي يجب تبريدها فقط إلى -10 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 23 درجة مئوية). على الرغم من سهولة العمل مع الموصلات الفائقة التقليدية ، إلا أن الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية لا تزال تتطلب معدات حرارية خاصة. بالإضافة إلى درجات الحرارة الباردة ، تتطلب هذه المواد ضغطًا مرتفعًا للغاية ، 1.67 مليون مرة أكثر من الضغط الجوي البالغ 14.6 رطل لكل بوصة مربعة (1 بار).

كما يوحي الاسم ، لا تحتاج الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة إلى معدات خاصة لتبريدها. إنها بحاجة إلى أن يتم ضغطها ، ولكن فقط إلى مستوى يزيد بحوالي 10000 مرة عن الضغط الجوي. يمكن تحقيق هذا الضغط باستخدام أغلفة معدنية قوية.

حيث يتم استخدام الموصلات الفائقة

تشير إلكترونيات الموصل الفائق إلى الأجهزة والدوائر الإلكترونية التي تستخدم مواد فائقة التوصيل لتحقيق مستويات عالية جدًا من الأداء وكفاءة الطاقة التي تعتبر بأحجام أفضل مما يمكن تحقيقه باستخدام أحدث أجهزة ودوائر أشباه الموصلات.

يعني عدم وجود مقاومة كهربائية في المواد فائقة التوصيل أنها تستطيع تحمل التيارات الكهربائية العالية دون أي فقد للطاقة بسبب المقاومة. هذه الكفاءة تجعل الموصلات الفائقة جذابة للغاية لنقل الطاقة.

قام مزود المرافق كومنولث إديسون بتركيب خطوط نقل فائقة التوصيل عالية الحرارة وعرضت تقنيات لتوصيل الطاقة إلى الجانب الشمالي من شيكاغو لفترة تجريبية مدتها عام واحد. بالمقارنة مع الأسلاك النحاسية التقليدية ، يمكن أن يحمل السلك الفائق التوصيل 200 ضعف التيار الكهربائي. لكن تكلفة الحفاظ على درجات الحرارة المنخفضة والضغوط العالية المطلوبة للموصلات الفائقة اليوم تجعل حتى هذه الكفاءة غير عملية في معظم الحالات.

نظرًا لأن مقاومة الموصل الفائق تساوي صفرًا ، إذا تم تطبيق تيار على حلقة فائقة التوصيل ، فسيستمر التيار إلى الأبد ما لم تنكسر الحلقة. يمكن استخدام هذه الظاهرة في تطبيقات مختلفة لصنع مغناطيس دائم كبير.

تستخدم آلات التصوير بالرنين المغناطيسي اليوم مغناطيسات فائقة التوصيل لتحقيق قوة المجال المغناطيسي لعدد قليل من التسلا ، وهو أمر ضروري للتصوير الدقيق. للمقارنة ، فإن المجال المغناطيسي للأرض لديه قوة ، أو كثافة تدفق ، حوالي 50 ميكروتسلا. إن المجال المغناطيسي الذي ينتجه المغناطيس فائق التوصيل في آلة تصوير بالرنين المغناطيسي بقوة 1.5 تسلا أقوى بمقدار 30 ألف مرة من المجال الذي تنتجه الأرض.

يستخدم الماسح المغناطيس فائق التوصيل لتوليد مجال مغناطيسي يعمل على محاذاة نوى الهيدروجين في جسم المريض. تنتج هذه العملية جنبًا إلى جنب مع موجات الراديو صورًا للأنسجة لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي. تؤثر قوة المغناطيس بشكل مباشر على قوة إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي. تتطلب آلة التصوير بالرنين المغناطيسي 1.5 تسلا أوقات مسح أطول لإنشاء صور واضحة مقارنة بآلة 3.0 تسلا.

تطرد المواد فائقة التوصيل المجالات المغناطيسية من داخلها ، مما يجعلها مغناطيسًا كهربائيًا قويًا. هذه المغناطيسات الفائقة لديها القدرة على رفع القطارات. تولد المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل 8.3 مجالًا مغناطيسيًا تسلا – أي أكثر من 100000 مرة من المجال المغناطيسي للأرض. تستخدم المغناطيسات الكهربائية تيارًا يبلغ 11080 أمبير لإنتاج المجال ، ويسمح الملف فائق التوصيل للتيارات العالية بالتدفق دون فقد أي طاقة. يرتفع قطار ياماناشي ماجليف فائق التوصيل في اليابان 4 بوصات (10 سنتيمترات) فوق مساره ويسافر بسرعات تصل إلى 311 ميلاً في الساعة (500 كم / ساعة).

تعد الدوائر فائقة التوصيل أيضًا تقنية واعدة للحوسبة الكمومية لأنها يمكن استخدامها كوحدات كيوبتات. الكيوبتات هي الوحدات الأساسية للمعالجات الكمومية ، وهي تشبه الترانزستورات الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ولكنها أقوى منها بكثير. قامت شركات مثل D-Wave Systems و Google و IBM ببناء أجهزة كمبيوتر كمومية تستخدم كيوبتات فائقة التوصيل. على الرغم من أن الدوائر فائقة التوصيل تصنع كيوبتات جيدة ، إلا أنها تشكل بعض التحديات التكنولوجية لصنع أجهزة كمبيوتر كمومية بأعداد كبيرة من الكيوبتات. تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في الحاجة إلى الاحتفاظ بالكيوبتات في درجات حرارة منخفضة للغاية ، الأمر الذي يتطلب استخدام أجهزة تبريد كبيرة تُعرف باسم ثلاجات التخفيف.

الوعد بموصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة

ستزيل الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة العديد من التحديات المرتبطة بالتكلفة العالية لتشغيل الدوائر والأنظمة القائمة على الموصلات الفائقة وتسهيل استخدامها في هذا المجال.

تتيح الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة توصيلات رقمية فائقة السرعة لأجهزة الكمبيوتر من الجيل التالي والاتصالات اللاسلكية ذات النطاق العريض بزمن انتقال منخفض. كما أنها ستمكّن من تقنيات التصوير عالية الدقة وأجهزة الاستشعار الناشئة للتطبيقات الطبية الحيوية والأمنية والمواد وتحليل الهياكل والفيزياء الفلكية الراديوية في الفضاء السحيق.

قد تعني الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة أن التصوير بالرنين المغناطيسي يمكن أن يصبح أقل تكلفة بكثير في التشغيل لأنها لن تتطلب مبرد الهيليوم السائل ، وهو مكلف وغير متوفر. ستكون شبكات الطاقة الكهربائية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة بنسبة 20٪ على الأقل من شبكات اليوم ، مما يؤدي إلى توفير مليارات الدولارات سنويًا ، وفقًا لتقديراتي. يمكن أن تعمل قطارات Maglev على مسافات أطول بتكاليف أقل. ستعمل أجهزة الكمبيوتر بشكل أسرع مع أوامر أقل من حيث استهلاك الطاقة. ويمكن بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام عدد أكبر من الكيوبتات ، مما يمكنها من حل المشكلات التي هي أبعد ما تكون عن متناول أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم.

يعتمد ما إذا كان يمكن تحقيق هذا المستقبل الواعد للإلكترونيات ومتى يمكن تحقيقه جزئيًا على ما إذا كان يمكن التحقق من مادة الموصل الفائق الجديد في درجة حرارة الغرفة – وما إذا كان يمكن إنتاجها بكميات كبيرة اقتصاديًا.