الصوديوم والهيدروجين، موصل فائق على الورق

ينقل الموصل الفائق التيار الكهربائي دون أي مقاومة على الإطلاق، تحت درجة حرارة حرجة Tc. وفي المواد الغنية بالهيدروجين، الأرقام القياسية مذهلة: فـH₃S وLaH₁₀ يصبحان موصلين فائقين فوق 200 كلفن. لكنهما لا يفعلان ذلك إلا عند ضغطهما إلى نحو ميغابار، أي ما يقارب مليون ضعف الضغط الجوي. والتحدي هو تحقيق الأداء نفسه عند ضغط أقل.

يساعد الهيدروجين لأنه خفيف: فذراته تهتز بترددات عالية جدًا، ويمكن لهذه الاهتزازات أن تربط الإلكترونات في الأزواج التي تحمل التيار الفائق. وفي كثير من أفضل الهيدريدات، لم يعد الهيدروجين يشكّل جزيئات H₂. أما المركّبات التي يبقى فيها الهيدروجين أزواجًا فقد عُدّت طويلًا مرشحات ضعيفة، لأن الرابطة القوية داخل كل زوج تُخرج إلكتروناته من اللعبة.

مركّب عُثر عليه بالبحث

كان تيانران تشن (Tianran Chen) من جامعة تينيسي وتانر يلدريم (Taner Yildirim) من مركز أبحاث النيوترونات التابع للمعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية (NIST) قد رصدا سداسي هيدريد الصوديوم، NaH6، في بحث حاسوبي شمل أكثر من 100,000 بنية غنية بالهيدروجين. كما تنبأت دراسة مستقلة بقيمة Tc عالية له. وهنا فحصاه بعمق — بالحساب وحده:

خوارزمية تطورية لإيجاد أنسب الترتيبات البلورية عند كل ضغط؛
حسابات كمومية للإلكترونات والاهتزازات الذرية واقترانها، تعطي Tc عبر صيغة قياسية؛
ديناميكا جزيئية عند 300 كلفن، للتحقق من أن البنى تتماسك حين تهتز الذرات.

لم تُخلَّق أي عيّنة ولم تُقَس.

بلّوران، وسلوكان

تكشف الحسابات مشهدًا مزدحمًا: عند 50 غيغاباسكال، هناك 15 بنية مختلفة مستقرة، معظمها أقارب قريبة لشكلين رئيسيين. وفي كليهما، يوجد الهيدروجين في أزواج ممطوطة قليلًا.

يُتوقع أن يكون الشكل المكعب موصلًا فائقًا حتى 230 كلفن عند 50 غيغاباسكال — نحو −43 °C عند نصف ميغابار — ولا يزال عند 215 كلفن عند 200 غيغاباسكال.
ويبقى الشكل المعيني (rhombohedral) مستقرًا حتى 10 غيغاباسكال، حيث تبلغ Tc المتوقعة 34 كلفن. وعند ضغطه ترتفع Tc بسرعة: 99 كلفن عند 50 غيغاباسكال، و157 عند 90، أي نحو 1.6 كلفن لكل غيغاباسكال.

ثمة عقبة يوضحها المؤلفان. عند 50 غيغاباسكال، ليس الشكل المكعب ذو الـ230 كلفن الترتيب الأكثر استقرارًا: إذ يقع فوق الطاقة اللازمة لتفككه إلى هيدريد صوديوم أبسط وهيدروجين بقليل. ولا يصبح مستقرًا في وجه هذا التفكك إلا فوق 60 غيغاباسكال، ويتبادل الشكلان موقعيهما قرب 114 غيغاباسكال. وفي الديناميكا الجزيئية عند 300 كلفن، يبقى الشكل المكعب سليمًا — لبضعة أجزاء من تريليون من الثانية.

هيدروجين مزدوج يساعد

أغرب ما وُجد هو الآلية. فالأزواج لا تعيق الموصلية الفائقة. كل اهتزاز يقترن بقوة بالإلكترونات هو اهتزاز يظهر في مطيافية رامان، وهي تقنية مخبرية شائعة؛ أما الاهتزازات الأخرى فبالكاد تقترن. وعند فحص 102 هيدريد آخر عند 200 غيغاباسكال، وجد المؤلفان النمط نفسه: الاهتزازات النشطة في رامان تقترن في المتوسط أقوى بنحو 40 مرة من البقية.

في الشكل المعيني، يُميل الضغط أزواج الهيدروجين، من 4 درجات عند 10 غيغاباسكال إلى 21 درجة عند 90. ومع ميلها، تقترن الاهتزازات الأساسية بقوة أكبر — بالتوازي مع ارتفاع Tc، بينما بالكاد تتغير البنية الإلكترونية. ويطابق نموذج هندسي بسيط هذا الاتجاه، وإن كان المؤلفان يشددان على أنه تفسير لا برهان.

من الشاشة إلى المختبر

هذه تنبؤات. فدرجات الحرارة المحسوبة تعتمد على معامل قياسي لكنه قابل للضبط، ولا يزال 50 غيغاباسكال يعادل نحو نصف مليون ضغط جوي. وإذا تأكد ذلك، فسيُظهر NaH6 أن اتجاه أزواج الهيدروجين أداة ضبط جديدة لتصميم موصلات الهيدريد الفائقة. والكلمة التالية للتجريبيين.