علماء صينيون يتوصلون لأثر الصمام الثنائي فائق التوصيل في المجال المغناطيسي الصفري

27 يناير 2025/صحيفة الشعب اليومية أونلاين/ قاد العالم الصيني وانغ جيان فريقه البحثي في مركز علوم المواد الكمومية، بكلية الفيزياء بجامعة بكين، لصناعة جهاز بغشاء رقيق من أكسيد النحاس فائق التوصيل وعالي الحرارة، بعد سلسلة من الأبحاث التي أجراها الفريق في الغرض.

ولاحظ الفريق البحثي أثناء التجارب، أن درجة حرارة التشغيل تحت مجال مغناطيسي صفري يمكن أن تصل إلى 72 كلفن. أي مايعادل 201.15 درجة مئوية تحت الصفر، (وهو مستوى قريب من حرارة النيتروجين السائل) في تأثير الصمام الثنائي فائق التوصيل وعالي الحرارة.

بالمقارنة بالأبحاث السابقة، فإن الصمام الثنائي فائق التوصيل الذي صنعه فريق وانغ جيان لا يتميز ببنيته البسيطة فحسب، بل وكذلك بدرجة حرارة عند التشغيل أفضل بكثير. ومن المتوقع أن يتم استخدام هذا الصمّام مستقبلا في الدوائر المتكاملة منخفضة الطاقة.

نُشرت نتائج البحث المتعلّقة بالصمام الثنائي فائق التوصيل مؤخرًا في مجلة "نيتشر كومينيكيشن"، تحت عنوان "تأثير الصمام الثنائي فائق التوصيل وعالي الحرارة ذي المجال المغناطيسي الصفري في الموصلات الفائقة عالية الحرارة المصنوعة من أكسيد النحاس".

"يعدّ الصمّام الثنائي لشبه الموصلات مكوّنا أساسيا للدوائر الإلكترونية الحديثة. وتتمثل ميزته النموذجية في التوصيل أحادي الاتجاه. فعندما يمر التيار في اتجاه واحد، تكون المقاومة صغيرة، بينما عندما يمر التيار في الاتجاه المعاكس، تصبح المقاومة كبيرة للغاية، تمامًا مثل طريق أحادي المسار، يسمح للسيّارات بالمرور في اتجاه واحد، ويمنع المرور في الاتجاه المعاكس"، يقول وانغ جيان. ويضيف بأن هذه الخاصية تسمح للصمّام الثنائي لشبه الموصلات بتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر، مما يسمح باستخدامه على نطاق واسع في تبديل التيار، وتثبيت جهد الدائرة، وتحويل التيار المتناوب في الدوائر المتكاملة.

نجد بأن معظم الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها في حياتنا اليومية، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الشحن المختلفة، تدمج عددًا كبيرًا من الصمّامات الثنائية شبه الموصلة. ومع ذلك، نظرًا لوجود المقاومة، فإن هذه الصمّامات ستسخن حتمًا عند الاستخدام. وكلما كانت الدائرة متكاملة بشكل أفضل، كلما زادت الحرارة التي تولدها. وهذا أحد العوامل الرئيسية التي تسبب ارتفاع درجة حرارة الأجهزة الإلكترونية عند استخدامها. ويمكن أن يؤدي التسخين المستمر إلى تدهور أداء المكونات الإلكترونية أو حتى فشلها. وهذا الضرر لن يتوقف عند الاستهلاك الكبير للطاقة، بل سيحدّ من دور الصمّامات الثنائية لشبه الموصّلات داخل الدوائر.

في هذا الصدد، شرح تشي شي تشاو، وهو عضو في الفريق البحثي قائلا بأن الموصلات الفائقة لها خصائص مقاومة صفرية، ولا تولد حرارة عند الاستخدام. ويمكنها تحقيق نقل الإشارة الكهربائية بدون خسارة. "لذلك، إذا كان من الممكن تحقيق تصحيح في الموصلات الفائقة، فمن المحتمل أنه بالإمكان إنشاء دائرة ذات قدرات حوسبة منطقية واستهلاك منخفض للطاقة، ما يعني الصمام الثنائي فائق التوصيل."

بعد سنوات من الاستكشاف، نجح فريق وانغ جيان في إعداد أجهزة نانوية فائقة التوصيل عالية الحرارة من أكسيد النحاس، ولاحظ تأثير الصمام الثنائي فائق التوصيل مع أقصى درجة حرارة تشغيل بلغت 201.15 درجة مئوية تحت الصفر في المجال المغناطيسي الصفري، وهو أعلى بكثير من الصمامات الثنائية فائقة التوصيل التقليدية. حيث تم تحقيق تحسن كبير، من خلال التبريد بالنيتروجين السائل الرخيص نسبيا.

في هذا السياق، قال وانغ جيان إن أقصى كفاءة لتأثير الصمام الثنائي فائق التوصيل تمت ملاحظتها تبلغ حوالي 22%، ويمكنه إظهار تأثير تصحيح مستمر ومستقر تحت تيارات تزيد عن 200 دورة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكوين هذا الصمام الثنائي بسيط ولا يتطلب مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا. وأشار وانغ جيان إلى أن هذه التكنولوجيا يمكنها المساعدة على إنتاج كميات كبيرة من الطاقة، وهو ما يحقق مزيدا من التكامل في الدوائر الإلكترونية.

وقال جيه جون العضو في الفريق البحثي، إن الصمّامات الثنائية فائقة التوصي ذات المجال المغناطيسي الصفري ودرجة الحرارة العالية، يمكن في المستقبل استعمالها كعنصر أساسي في الدوائر المتكاملة. وبالمقارنة مع الصمّامات الثنائية التقليدية، تتمتع الصمّامات فائقة التوصيل باستهلاك منخفض للغاية للطاقة، مما يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة في الدوائر الإلكترونية ويزيد من تكامل الدوائر، وبالتالي تحسين الأداء وقوة الحوسبة للمنتجات مثل الرقائق.