يتقدم علماء الفيزياء في سباق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة

استخدم فريق من علماء الفيزياء من مختبر الظروف القاسية في نيفادا (NEXCL) التابع لجامعة UNLV خلية سندان ماسي ، وهو جهاز بحثي مشابه للذي تم تصويره ، في بحثهم لخفض الضغط اللازم لمراقبة مادة قادرة على الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة. الائتمان: الصورة مجاملة من NEXCL

قبل أقل من عامين ، صُدم عالم العلوم باكتشاف مادة قادرة على الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة. الآن ، قام فريق من علماء الفيزياء في جامعة نيفادا لاس فيغاس (UNLV) بزيادة الرهان مرة أخرى من خلال إعادة إنتاج هذا العمل الفذ عند أدنى ضغط تم تسجيله على الإطلاق.

لكي نكون واضحين ، هذا يعني أن العلم أقرب من أي وقت مضى إلى مادة قابلة للاستخدام وقابلة للتكرار يمكن أن تحدث يومًا ما ثورة في كيفية نقل الطاقة.

كانت العناوين الرئيسية الدولية في عام 2020 من خلال اكتشاف الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة لأول مرة بقلم الفيزيائي في جامعة UNLV أشكان سلامات وزميله رانجا دياس ، الفيزيائي بجامعة روتشستر. لتحقيق هذا الإنجاز ، صنع العلماء مزيجًا كيميائيًا من الكربون والكبريت والهيدروجين أولاً في حالة معدنية ، ثم إلى حالة فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة باستخدام ضغط عالٍ للغاية – 267 جيجا باسكال – ظروف تجدها فقط في الطبيعة بالقرب من مركز الأرض.

تقدم بسرعة أقل من عامين ، والباحثون قادرون الآن على إكمال الإنجاز بسرعة 91 جيجا باسكال فقط – ما يقرب من ثلث الضغط الذي تم الإبلاغ عنه في البداية. تم نشر النتائج الجديدة كمقال مسبق في المجلة الاتصالات الكيميائية هذا الشهر.

اكتشاف فائق

من خلال ضبط مفصل لتركيب الكربون والكبريت والهيدروجين المستخدم في الاختراق الأصلي ، يستطيع الباحثون الآن إنتاج مادة تحت ضغط منخفض تحافظ على حالتها من الموصلية الفائقة.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة جريجوري ألكسندر سميث: “هذه ضغوط عند مستوى يصعب فهمه وتقييمه خارج المختبر ، لكن مسارنا الحالي يُظهر أنه من الممكن تحقيق درجات حرارة عالية التوصيل عالية نسبيًا عند ضغوط منخفضة باستمرار – وهذا هو هدفنا النهائي”. باحث طالب دراسات عليا مع UNLV مختبر الظروف القاسية في نيفادا (نيكسل). “في نهاية اليوم ، إذا أردنا جعل الأجهزة مفيدة لاحتياجات المجتمع ، فعلينا تقليل الضغط اللازم لإنشائها.”

على الرغم من أن الضغوط لا تزال عالية جدًا – حوالي ألف مرة أعلى مما قد تتعرض له في قاع خندق ماريانا في المحيط الهادئ – إلا أنهم يواصلون السباق نحو هدف يقترب من الصفر. إنه سباق يكتسب البخار بشكل كبير في UNLV حيث يكتسب الباحثون فهمًا أفضل للعلاقة الكيميائية بين الكربون والكبريت والهيدروجين التي تشكل المادة.

“إن معرفتنا بالعلاقة بين الكربون والكبريت تتقدم بسرعة ، ونجد نسبًا تؤدي إلى استجابات مختلفة بشكل ملحوظ وأكثر كفاءة مما لوحظ في البداية” ، قال سلامات ، الذي يدير NEXCL في UNLV وساهم في أحدث دراسة. “إن مراقبة مثل هذه الظواهر المختلفة في نظام مماثل يظهر فقط ثراء الطبيعة الأم. هناك الكثير لفهمه ، وكل تقدم جديد يقربنا من حافة الهاوية للأجهزة فائقة التوصيل اليومية “.

الكأس المقدسة لكفاءة الطاقة

تعتبر الموصلية الفائقة ظاهرة رائعة لوحظت لأول مرة منذ أكثر من قرن مضى ، ولكن فقط في درجات حرارة منخفضة بشكل ملحوظ استبعدت أي فكرة للتطبيق العملي. فقط في الستينيات من القرن الماضي ، افترض العلماء أن هذا العمل الفذ قد يكون ممكنًا في درجات حرارة أعلى. أثار اكتشاف عام 2020 من قبل سلامات وزملاؤه لموصل فائق في درجة حرارة الغرفة عالم العلوم جزئيًا لأن التكنولوجيا تدعم التدفق الكهربائي بدون مقاومة ، مما يعني أن الطاقة التي تمر عبر دائرة كهربائية يمكن إجراؤها بلا حدود وبدون فقدان للطاقة. قد يكون لهذا آثار كبيرة على تخزين الطاقة ونقلها ، ودعم كل شيء من بطاريات الهواتف المحمولة الأفضل إلى شبكة طاقة أكثر كفاءة.

وقال سلامات: “لا تظهر أزمة الطاقة العالمية أي علامات على التباطؤ ، والتكاليف آخذة في الارتفاع جزئياً بسبب شبكة الطاقة الأمريكية التي تخسر ما يقرب من 30 مليار دولار سنوياً بسبب عدم كفاءة التكنولوجيا الحالية”. “من أجل التغيير المجتمعي ، نحتاج إلى القيادة باستخدام التكنولوجيا ، والعمل الذي يحدث اليوم هو ، على ما أعتقد ، في طليعة حلول الغد.”

وفقًا لسلامات ، يمكن أن تدعم خصائص الموصلات الفائقة جيلًا جديدًا من المواد التي يمكن أن تغير بشكل أساسي البنية التحتية للطاقة في الولايات المتحدة وخارجها.

قال: “تخيلوا تسخير الطاقة في نيفادا وإرسالها عبر البلاد دون أي خسارة للطاقة”. “هذه التكنولوجيا يمكن أن تجعل ذلك ممكنًا في يوم من الأيام.”

المرجع: “يؤدي محتوى الكربون إلى زيادة الموصلية الفائقة في درجة حرارة عالية في هيدريد كبريت كربوني أقل من 100 جيجا باسكال” بقلم جي ألكسندر سميث وإينيس إي كولينجز وإليوت سنايدر ودين سميث وسيلفان بيتيتغيرارد وجيسي إس. إليسون ، كيث ف.لولر ، رانجا ب.دياس وأشكان سلامات ، 7 يوليو 2022 ، الاتصالات الكيميائية.
DOI: 10.1039 / D2CC03170A

سميث ، المؤلف الرئيسي ، هو باحث سابق في جامعة UNLV في مختبر سلامات وطالب دكتوراه حالي في الكيمياء والبحث مع NEXCL. من بين مؤلفي الدراسة الإضافيين سلامات ، ودين سميث ، وبول إليسون ، وميلاني وايت ، وكيث لولر من UNLV ؛ رانجا دياس وإليوت سنايدر وإليز جونز من جامعة روتشستر ؛ Ines E. Collings مع المختبرات الفيدرالية السويسرية لعلوم وتكنولوجيا المواد ، سيلفان بيتيتغيرارد مع ETH Zurich ؛ وجيسي س. سميث من مختبر أرجون الوطني.