إن قصة التبريد والتصويب السطحي هي واحدة من أكثر الإنجازات التي حققتها البشرية في تذوق المتطرف، إذ إن العلماء، باختراعهم إلى درجات الحرارة، همساً أعلى من الصفر المطلق، فتحوا عالماً مخفياً حيث تتدفق الكهرباء دون مقاومة، وتشعل الحقول المغناطيسية أجساماً هائلة، وتكشف الطبيعة الكميائية للمسألة نفسها، وهذه الرحلة التي تمتد على مدى قرن، لا تزال تُعيد تشكيل الطب والطاقة والنقل والفيزياء.

Origins of Cryogenics: The Race to Absolute Zero

وقد أصبح إنتاج ودراسة درجات حرارة عالية جداً لا من لحظة واحدة من اليوريكا بل من عقود من الانجازات التدريجية في مجال تكديس الغاز، وكان الرقم المحوري في هذه القصة هو النيزيك الفيزيائي الهولندي Heike Kamerlingh Onnes، الذي أصبح في عام 1908 أول إنجاز في مجال الكهرم، حيث بلغ درجة حرارة التنافس بين كلفينس وجين (268).

وكان تهكم الهيليوم أكثر من مجرد حرف تقني؛ فتح الباب أمام فيزياء جديدة تماما، وفي هذه درجات الحرارة، توقف حركة الجزيئية تقريبا، وتتصرف بطريقة مضادة، وسيؤدي استكشاف أونيز بصورة منهجية لممتلكات المواد قرب الصفر المطلق إلى اكتشاف مذهل يولد في ميدان القدرة على التخصيب.

الأدوات الأساسية للطب المسبب للسرطان

وقبل نجاح أونيز، كانت اختراعات رئيسية قد وضعت الأساس العملي، وقد أتاح نكهة ديوار، التي اخترعها جيمس ديوار في عام ١٨٩٢، تخزين الغازات المسيلة لفترات طويلة، وفشلت محاولة ديوار نفسها لتصفيف هيليوم، ولكن حاوية السائل المجهزة بالمكنسة أصبحت رمزا عالميا للتخزين البارد، وقد أدت دورة التبريد المتجددة التي قام بها الباحثون كارل فون ليند وويمبدة ووي ووي وويليام هترسن.

مدرسة ليدن وكامرلينج أونس ليغاسي

وأصبح مختبر أونيز محورا للتعاون الدولي، إذ سافر الأطباء إلى ليدن لدراسة الخواص الغريبة للمواد في أعماق البرد، وكان هناك أن الطبيعة الكمية للحرارات الخاصة بالجبنات، والسلوك الحراري، والمقاومة الكهربائية - النباتية، وارتأت أساليب أونيز الدقيقة أن الظواهر الكيماوية تشكل انضباطا علميا صارما، مما سيهيئ المجال لثورة المتابعة الخارقة التي ستؤدي إلى حدوثها.

The Rise of Superconductivity: Zero Resistance and perfect Diamagnetism

وفي عام 1911، قيست أونيز وفريقه المقاومة الكهربائية لسلك الزئبق حيث تبريده بالهيليوم السائل، وفي 4-2 كيلفين، اختفت المقاومة بشكل مفاجئ، وسجلت أونيس في مذكرته ببساطة " نواة كويك " (مجرد من الصفر تقريبا)، واكتشفت علامات خارقة - حالة تبث فيها مادة الكهرباء دون أي خسارة في الطاقة.

أوائل ميليستون والبحث عن المواد

وقد تأثرت الإثارة الأولية بالطبيعة الهشة للمنتجات الخارقة، فقدوا موصلاتهم الكمالية في حقول مغناطيسية متواضعة أو عندما كانوا يحملون تياراً كبيراً، وفي عام 1914، وجدت أونيس أن ميداناً مغناطيسياً لا يتجاوز بضع مئات من الجاز يمكن أن يدمر القدرة على إنتاج الزئبق، وقد أدى هذا الحد الميداني الحاسم إلى صيد مواد أكثر قوة.

The BCS Theory: Understanding the Mechanism

ليس حتى عام 1957 قام جون باردين، ليون كوبر، وجون روبرت شريفر بصياغة نظرية BCS التي حصلت عليها في نهاية المطاف جائزة نوبل لعام 1972، وشرحت النظرية أن الموصلية الخارقة هي ظاهرة كمية: في درجات حرارة منخفضة، فإن الإلكترونات تشكل زوجين من كوبر، التي تنتقل عبر التمرين الكريستالي دون تفرق.

النوع الثاني - الموصلات الخارقة والميادين المغناطيسية العالية

وقد تحقق تقدم رئيسي ثان في الاعتراف بالموصلات الخارقة من النوع الثاني، وخلافا للمواد من النوع الأول التي تطرد جميع الحقول المغناطيسية (أثر ميسنر) حتى نقطة حرجة، فإن الموصلات الخارقة من النوع الثاني تسمح بالاختراق في دوامة الفرنكات المغناطيسية في الوقت الذي لا يزال فيه مقاومة صفرية على نطاق ميداني أوسع.

ثورة التألق العالي

وقد كان التقدم المحرز في رفع درجة الحرارة الانتقالية الفوقية بطيئاً بشكل مؤلم لمدة 75 سنة، إذ بلغ 23 كيلو في نب3 غي بحلول عام 1973، وظهر الحد الأقصى للثانية (BCS) البالغ 30 كيلو غراماً أنه غير قابل للعزل، ثم في عام 1986، كان السائل Bednorz وKüller في بحوث الازرق قد حطم ذلك الحد الأقصى، واكتشفت أن هناك قدرة على إحداث الاحتراق في أكسيد الكهرم (35).

وقد حقق Bednorz and Müller اكتشاف ]high-temperature superconductors) (HTS) لهم جائزة نوبل لعام 1987 وأثاروا جهداً بحثياً عالمياً مكثفاً، وأظهرت المواد التي اكتشفت في Krchetypal HTS وأكسيد الشواء الليتريوم (YBCOpperrate) ضغطاً من 92 Kcte.

اللغز غير التقليدي والزيتون المستمر

ولا تزال مواد الهاشم تفتقر إلى فهم نظري كامل، فخلافا للموصلات الخارقة التقليدية للسواتل التي توسط فيها المزادات، قد تنطوي الآلية في الكوابت والزجاجات على تقلبات مغناطيسية أو تفاعلات غريبة أخرى، فالتناظر بين الموجات الدودية بدلا من الموجات، ويشمل الرسم البياني المرحلة التي تشمل البرمجيات الفوقية الشكلية والمرحلة الغريبة.

التطبيقات التكنولوجية: من المستشفيات إلى ملوِّثات الجسيمات

وقد أدى زواج المبردات والمنتجات الخارقة إلى ظهور مجموعة من التكنولوجيات التحويلية، وأكثر التطبيقات انتشارا هو تصوير الصبر المغناطيسي الذي يعتمد على مغناطيسات كبيرة تعمل على إنتاج الهيليوم السائل لتوليد حقول مغناطيسية مستقرة عالية الارتداد، وقد أدى المسح المتعدد الوسائط إلى ثورة التشخيص الطبي، مما يتيح المجال للأشعة غير المفرغة، التي تمثل نسيجات عالية الاستبانة في العالم.

الطاقة ونقل الطاقة

وتوفر الكابلات المُسدِّرة حلاً قاهراً لشبكات الطاقة الحضرية، وقد تحمل أشرطة الموصلات فوق الزمانية العالية الحرارة، 100 مرة، التيار السلكي النحاسي لنفس الشباك، دون خسائر مقاومة تقريباً، وقد أثبتت المشاريع الرائدة، مثل مشروع أمبا سيتي في إيسين، ألمانيا، والمنشآت في كوريا الجنوبية واليابان، أن الكابلات ذات القدرة على مقاومة النحاس التقليديين في مراكز المدن المنخفضة، مما يقلل من القدرة على تحمل البصمة.

البحث العلمي والأجهزة العاملة

وأحدث أداة علمية متطورة مبنية على تكنولوجيا التخدير السطحي هي عقيدة الهادرون الكبيرة في مركز البحوث الوطنية، حيث أن حلقة الطول 27 كيلو متر من المغناطيسات المحتوية على مضخات مبردة إلى 1.9 كيلو متر، من خلال الهيليوم الفلوري، وأحزمة الجسيمات ذات السرعة القريبة من الضوء، مما يتيح اكتشاف مفاعلات الاختراق المصغرة في عام 2012.

كمبيوتر الكمي والاستشعار

وهذه الكميات المؤثرة هي منصة رئيسية لبناء حواسيب كمية عملية، وتعمل أجهزة من غوغل، وجهاز إي بي إم، وغيرها في درجات حرارة مطاحن في داخل ثلاجات التحلل، حيث يمكن للمنتجات الخارقة أن تُمكن من البرمجيات الطبية غير المتنازعة والتماسك الكمي، وفي الوقت نفسه، تستخدم أجهزة التداخل الكميائي التي تستخدمها أجهزة قياس المغناطيس الأكثر حساسية.

النقل: ماجليف وما بعدها

ويستغل القطارات المتحركة المغنطيسية (المنجل) تأثير الميسنر والتدفقات التي تطفو فوق المسار، ويزيل الاحتكاك، كما أن سفن اليابان SCMaglev، التي حققت سرعة تزيد على 600 كيلومتر/ساعة، تستخدم كميات كبيرة من الفحم، بينما يمكن للبحوث في وعود التصنيع المغنطيفي ذات الصبغة البسيطة، ومع ذلك فإن الموصلات الكهربائية يمكن أن تكون أكثر كفاءة من حيث المبدأ.

تحدي الهندسة المسببة للمرض

فبموجب كل تطبيق مؤثر يتكون من نظام مسبب للبرد، ولا يزال الهيليوم هو المبرد الرئيسي للموصلات الخارقة ذات الحرارة المنخفضة، ولكن إمدادات الهيليوم العالمية محدودة ومعرضة لتقلب الأسعار، كما أن مكيفات الهيليوم الكبيرة ونظم الاستعادة الدوّارة المغلقة هي عوامل كثيفة في رأس المال.

The Quest for Room-Temperature Superconductivity

The ultimate goal- and sacred grail-of condensed matter physics is a material that superconducts at ambient pressure and temperature. For decades, this dream seemed far. However, recent high-pressure experiments have ignited excitement. In 2015, hydrogen sulfide (H2) pressure was founds

والتحدي الذي يواجه الآن هو تثبيت هذه المواد عند الضغط المحيطي أو قربه، والضغط الكيميائي والهيكلي اللازم لتحقيق ذلك هائل، والبحوث في الهياكل الكهرمائية، والمراحل القابلة للذوبان، وتقنيات التوليف الجديدة مستمرة بوتيرة سريعة، وسيؤدي النجاح إلى ثورة صناعية: شبكات الطاقة غير المفقودة، والنقل المغنطيبي، وأجهزة الصمام القوية رغم أنها متماسكة.

الأثر الاجتماعي والتوقعات المستقبلية

وحتى بدون القدرة على إحداث الاحترار في الغرف، فإن المسببات التراكمية والموصلات الخارقة تسهم بالفعل إسهاما كبيرا في الاقتصاد العالمي ورفاه الإنسان.

ويوضح التفاعل بين المسببات الاختلالية والثروة الخارقة كيف يمكن للعلم الأساسي أن يولد التكنولوجيا الثورية، فمع استمرار تقدم علوم المواد والهندسة البكائية، يُدفع حد الإمكان إلى الخارج، وقد تُنفذ العقود المقبلة أخيراً وعداً بعالم لا تتدفق فيه الكهرباء دون فقدان، وحيث لا يشكل البرد عائقاً بل هو بوابة إلى الابتكار.

ومن أول نظرة في أونيز لمقاومة صفرية في مختبر ليدن إلى حواسيب اليوم كميا ومفاعلات الاندماج في الغد، فإن قصة التبريد والارتقاء الخارق لم تنته بعد، ولا تزال واحدة من أكثر الحدود إثارة في جميع العلوم.