أبحاث في جامعة بن ستايت أنشأت نهجًا حاسوبيًا جديدًا لتحديد المواد التي يمكن أن تظهر موصلية فائقة عند درجات حرارة أعلى، مما قد يحدث ثورة في نقل الطاقة. يدمج الطريقة النظرية الكلاسيكية مع الميكانيكا الكمومية باستخدام نظرية زينتروبي. يهدف هذا الاختراق إلى التغلب على قيود الموصلات الفائقة الحالية التي تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية.
الموصلات الفائقة، مواد تؤدي الكهرباء بدون مقاومة، تحمل وعداً هائلاً لأنظمة طاقة فعالة لكنها معوقة بحاجة إلى ظروف مبردة. فريق بقيادة زي-كوي ليو، أستاذ علم المواد والهندسة في بن ستايت، طور نموذجاً للتنبؤ بالموصلية الفائقة في مواد قد تعمل عند درجات حرارة قريبة من درجة الحرارة الغرفية. مدعوم من برنامج علوم الطاقة الأساسية في وزارة الطاقة الأمريكية، تربط البحوث نظرية باردين-كوبر-شريفر (BCS) —التي تفسر الموصلية الفائقة عند درجات حرارة منخفضة من خلال اقتران الإلكترونات عبر الفونونات— مع نظرية الوظيفة الكثافة (DFT)، أداة قائمة على الميكانيكا الكمومية لنمذجة سلوك الإلكترونات.
الابتكار يكمن في نظرية زينتروبي، التي تجمع الميكانيكا الإحصائية والفيزياء الكمومية والنمذجة الحاسوبية لربط هيكل المادة الإلكتروني بخصائصها المعتمدة على درجة الحرارة. هذا يسمح بالتنبؤ بدرجة الحرارة الحرجة التي تظهر فيها الموصلية الفائقة أو تفشل. "الهدف دائماً كان رفع درجة الحرارة التي تستمر فيها الموصلية الفائقة"، قال ليو. "لكن أولاً، نحتاج إلى فهم كيف تحدث الموصلية الفائقة بالضبط، وهناك يأتي عملنا."
باستخدام هذا النهج، تنبأ الفريق بنجاح بسلوك الموصلية الفائقة في كل من المواد التقليدية عند درجات حرارة منخفضة وتلك عند درجات حرارة عالية، بما في ذلك حالات غير مفسرة بنظرية BCS التقليدية. كما حددوا إمكانية موصلية فائقة في معادن مثل النحاس والفضة والذهب، على الرغم من أنها فقط عند درجات حرارة منخفضة جداً. شبه ليو العملية بإنشاء "طريق سريع فائق للإلكترونات فقط"، حيث تسافر الإلكترونات المقترنة بدون مقاومة، مشابهة للأوتوبان.
الدراسة، التي شارك في تأليفها البروفيسور البحثي شون-لي شانغ، نُشرت في Superconductor Science and Technology (2025؛ 38(7): 075021). بعد ذلك، يخطط الباحثون لاستكشاف تأثيرات الضغط على الموصلية الفائقة وفحص قاعدة بيانات تحتوي على خمسة ملايين مادة لمرشحين جدد. "نحن لا نفسر فقط ما هو معروف بالفعل"، أضاف ليو. "نحن نبني إطاراً لاكتشاف شيء جديد تماماً." إذا تحقق، يمكن للموصلات الفائقة عند درجة الحرارة الغرفية أن تحول تكنولوجيا الطاقة العالمية من خلال تمكين نقل الكهرباء بدون خسائر.