بحث عن هيدريدات فائقة التوصيل مستقرة حرارياً عند الضغط الجوي في قاعدة بيانات GNoME

لماذا تهم الموصلات الفائقة عند درجة حرارة الغرفة

المواصلات الفائقة مواد تستطيع نقل الكهرباء دون فقدان، ما يعد بشبكات طاقة فائقة الكفاءة، وأجهزة تصوير طبية قوية، وقطارات معلاة. المشكلة أن أفضل الموصلات الفائقة الحالية تعمل عادة فقط عند تبريدها إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض أو عند ضغطها تحت مستويات هائلة. يستكشف هذا المقال ما إذا كانت فئة خاصة من المواد الغنية بالهيدروجين، المسماة هيدريدات، يمكن أن تصبح فائقة التوصيل في ظروف ضغوط عادية عند مستوى الغرفة — خطوة أساسية نحو أجهزة عملية.

البحث عن إبر في كومة قش بلورية

خلال العقد الماضي، اكتشف العلماء هيدريدات توصل كهربائياً عند درجات حرارة تقارب حرارة الغرفة، لكن ذلك كان فقط عندما تُضغط بين سندانات الماس عند ضغوط تفوق الضغط الجوي بمليون مرة أو أكثر. مثل هذه الشروط غير عملية للأسلاك أو الأجهزة الإلكترونية في العالم الحقيقي. في المقابل، أشارت النظريات إلى أن بعض الهيدريدات قد تكون قادرة على التوصيل الفائق عند ضغوط أقل بكثير، حتى عند الضغط الجوي العادي، لكن العديد من هذه الطورّات الواعدة تبدو غير مستقرة بما يكفي لتوجد خارج الحاسوب. السؤال المركزي في هذا العمل هو ما إذا كانت هناك هيدريدات مستقرة حرارياً عند ضغط الغرفة وقادرة على توصيل فائق بدرجات حرارة تثير اهتمام التكنولوجيا.

ترك قاعدة بيانات ذكية لتقوم بالعمل الشاق

لجأ المؤلفون إلى مورد صدر حديثاً يُدعى قاعدة بيانات GNoME، وهي مجموعة ضخمة من البلورات المتوقعة حاسوبياً والمُصنَّفة على أنها مستقرة عند الصفر المطلق. من بين أكثر من 300,000 مرشح، قاموا أولاً بترشيح المواد غير المعدنية وركزوا على تلك ذات الأشكال البلورية المكعبة، نمط معروف بالفعل بتفضيله للتوصيل الفائق في الهيدريدات. أدى ذلك إلى مجموعة يمكن إدارتها مكونة من عدة مئات من الهيدريدات. لتجنب التكلفة الحاسوبية الضخمة لتحليل كل واحد منها بتفصيل كامل، استخدموا نموذج تعلم آلي — شبكة عصبية متقدمة مدرَّبة على موصلات فائقة معروفة — لتقدير سريع لدرجة الحرارة الانتقالية التي يصبح عندها كل مادة فائقة التوصيل.

من التخمينات السريعة إلى الحسابات الدقيقة

تم تمرير المرشحين الأكثر وعداً من مرحلة التعلم الآلي إلى حسابات ميكانيكا كمية أكثر صرامة. عالجت هذه المحاكاة عالية الدقة كيفية تفاعل الإلكترونات في المادة مع اهتزازات الشبكة البلورية، وهو الآلية التقليدية الأساسية وراء التوصيل الفائق. في هذه المرحلة الثانية، حسب الباحثون درجات حرارة انتقال أكثر موثوقية وحددوا 25 هيدريدًا من المتوقع أن تكون فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى من نقطة غليان الهليوم السائل (4.2 كلفن). تقع معظمها بين 5 و10 كلفن، مماثلة لبعض السبائك الموصل الفائقة التجارية، لكن الأهم أنها متوقعة أن تكون مستقرة حرارياً عند الضغط الجوي، مما يجعلها أهدافًا أكثر واقعية للتخليق التجريبي.

مرشح بارز وميكانيكياته الداخلية

برز مركب واحد، هيدريد مكعب يُدعى LiZrH6Ru، كنجم في المسح. أشارت التقديرات الأولية إلى درجة حرارة انتقال تزيد على 20 كلفن، وهو رقم مرتفع بشكل ملحوظ لهيدريد مستقر عند الضغط الجوي. خضع هذا المادّ لباقة من الاختبارات النظرية المتقدمة، بما في ذلك طرق تأخذ بعين الاعتبار الحركة الكمومية لذرات الهيدروجين، وتأثيرات التنافر الطفيف بين الإلكترونات، وإمكانية مساهمة نطاقات إلكترونية مختلفة بدرجات متفاوتة في التوصيل الفائق. خفضت هذه المعالجات الأكثر تطورًا أفضل تقدير لدرجة الحرارة الانتقالية إلى نحو 17 كلفن لكنها عززت أيضاً الثقة في أن التنبؤ واقعي. كما أظهرت أن ضغط المادة بشكل معتدل يمكن أن يرفع درجة الحرارة الانتقالية أكثر، مع بقائها بكثير أدنى من الضغوط الهائلة التي تُرى في الهيدريدات الحاصدة للأرقام القياسية.

الوعود والقيود والخطوات التالية

على الرغم من أن أيًا من الهيدريدات المكتشفة لا يقترب من أداء غرفة الحرارة عند الضغط الجوي، يقدم هذه الدراسة رسالة مهمة: عندما يُفرض شرط الاستقرار الحراري الحقيقي بصرامة، يُتوقع أن تكون الهيدريدات الفائقة الأكثر واقعية عند الضغط الطبيعي ذات درجات حرارة حرجة متواضعة، لكنها لا تزال ذات صلة تكنولوجية، وتصل في أحسن الأحوال إلى عشرات الكلفن. يجادل المؤلفون بأن قائمتهم المُدقَّقة المكوّنة من 25 مرشحًا، وخصوصاً LiZrH6Ru، تقدم للمختبرين أهدافًا ملموسة وقابلة للتحقيق. تأكيد هذه التنبؤات مخبريًا سيُقدّم التطبيقات المحتملة ويصقل الأدوات المستخدمة للبحث في الفضاء الشاسع للمواد الموصلة الفائقة المحتملة.

الاستشهاد: Sanna, A., Cerqueira, T.F.T., Cubuk, E.D. et al. Search for thermodynamically stable ambient-pressure superconducting hydrides in the GNoME database. Commun Phys 9, 94 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02552-4

الكلمات المفتاحية: فائقة التوصيل, هيدريدات, التعلم الآلي, اكتشاف المواد, ضغط جوي