الموصل الفائق التساهمي

الموصلات الفائقة التساهمية هي مواد فائقة التوصيل ترتبط ذراتها بروابط تساهمية . أول هذه المواد كان الماس الصناعي المُطعّم بالبورون، والذي تم إنتاجه بطريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT). ^{[ 1 ]} لم يكن لهذا الاكتشاف أهمية عملية تُذكر، ولكنه أثار دهشة معظم العلماء، إذ لم تُلاحظ ظاهرة التوصيل الفائق في أشباه الموصلات التساهمية، بما في ذلك الماس والسيليكون.

تُثار جدلاتٌ حادة حول أولوية العديد من الاكتشافات العلمية (انظر، على سبيل المثال، الجدل الدائر حول جائزة نوبل ). مثال آخر، بعد أن "اكتشف" سوميو إيجيما أنابيب الكربون النانوية عام 1991، أشار العديد من العلماء إلى أن ألياف الكربون النانوية قد رُصدت بالفعل قبل ذلك بعقود . وينطبق الأمر نفسه على الموصلية الفائقة في أشباه الموصلات التساهمية. فقد تم التنبؤ نظريًا بالموصلية الفائقة في الجرمانيوم والسيليكون -جرمانيوم في وقت مبكر من ستينيات القرن الماضي. ^{[ 2 ] [ 3 ]} وبعد ذلك بوقت قصير، تم رصد الموصلية الفائقة تجريبيًا في تيلوريد الجرمانيوم . ^{[ 4 ] [ 5 ]} وفي عام 1976، رُصدت الموصلية الفائقة تجريبيًا عند درجة حرارة حرجة (Tc ₎ تساوي 3.5 كلفن في الجرمانيوم المزروع بأيونات النحاس؛ ^{[ 6 ]} وقد ثبت تجريبيًا أن التحول إلى الحالة غير المتبلورة ضروري للموصلية الفائقة (في الجرمانيوم)، ونُسبت الموصلية الفائقة إلى الجرمانيوم نفسه، وليس إلى النحاس. 

تم تحقيق الموصلية الفائقة في الماس من خلال تطعيمه بكثافة عالية من النوع p بواسطة البورون، بحيث بدأت ذرات التطعيم الفردية بالتفاعل وتشكيل "حزمة شوائب". وكانت الموصلية الفائقة من النوع الثاني ، حيث بلغت درجة الحرارة الحرجة T_{_c} = 4  كلفن والمجال المغناطيسي الحرج B _{_c} = 4  تسلا. وفي وقت لاحق، تم تحقيق T _{_c} ≈ 11 كلفن في أغشية الترسيب الكيميائي للبخار المتجانسة . ^{[ 7 ] [ 8 ]} 

فيما يتعلق بأصل الموصلية الفائقة في الماس، طُرحت ثلاث نظريات بديلة: نظرية BCS التقليدية القائمة على الاقتران بوساطة الفونونات، ونظرية نطاق الشوائب المترابطة ^{[ 9 ]} ، والاقتران الناتج عن انعكاس اللف المغزلي للثقوب المتمركزة بشكل ضعيف بالقرب من مستوى فيرمي. ^{[ 10 ]} كشفت التجارب على الماس المُخصب بنظائر ^12C أو ^13C أو ^10B أو ^11B عن انزياح واضح في _{درجة حرارة كوري} (Tc ) ، ويؤكد مقداره آلية BCS للموصلية الفائقة في الماس متعدد البلورات. ^{[ 11 ]}

رغم وجود تقارير عن الموصلية الفائقة الذاتية في أنابيب الكربون النانوية ، ^{[ 12 ] [ 13 ]} إلا أن العديد من التجارب الأخرى لم تجد أي دليل على الموصلية الفائقة، ولا تزال صحة هذه النتائج موضع نقاش. ^{[ 14 ]} مع ذلك، تجدر الإشارة إلى فرق جوهري بين الأنابيب النانوية والماس: فمع أن الأنابيب النانوية تحتوي على ذرات كربون مرتبطة بروابط تساهمية، إلا أن خصائصها أقرب إلى الجرافيت منها إلى الماس، ويمكن أن تكون معدنية دون تطعيم. في المقابل، يُعد الماس غير المُطعم عازلاً.

عندما يتم إدخال ذرات معدنية (إقحامها) بين مستويات الجرافيت، يتم إنشاء العديد من الموصلات الفائقة ذات درجات حرارة الانتقال التالية: ^{[ 15 ] [ 16 ]}

اقترح ^{[ 1 ]} أن "السيليكون والجرمانيوم، اللذين يتشكلان أيضًا في بنية الماس، قد يُظهران خاصية التوصيل الفائق في ظل الظروف المناسبة"، وبالفعل، تلت ذلك اكتشافات سريعة للتوصيل الفائق في السيليكون المُطعّم بالبورون بكثافة عالية (Si:B) ^{[ 17 ]} وكربيد السيليكون المُطعّم بالبورون (SiC:B) ^{[ 18 ]} . ومثل الماس، يُعدّ Si:B موصلًا فائقًا من النوع الثاني ، لكن قيم درجة حرارة كوري (Tc ₎ فيه أقل بكثير (0.4  كلفن) ومجال مغناطيسي (Bc ₎ أقل بكثير (0.4  تسلا). وقد تحقق التوصيل الفائق في Si:B من خلال التطعيم المكثف (أكثر من 8% ذري)، والذي تم تحقيقه باستخدام تقنية خاصة غير متوازنة تعتمد على التطعيم بالليزر بالغمر الغازي .

تم تحقيق الموصلية الفائقة في كربيد السيليكون (SiC) عن طريق التطعيم المكثف بالبورون ^{[ 19 ]} أو الألومنيوم ^{[ 20 ]} . تتميز كلتا المرحلتين، المكعبة (3C-SiC) والسداسية (6H-SiC)، بالموصلية الفائقة، وتُظهران درجة حرارة حرجة (Tc) متقاربة جدًا _تبلغ 1.5 كلفن . ومع ذلك، لوحظ اختلاف جوهري في سلوك المجال المغناطيسي بين التطعيم بالألومنيوم والبورون: كربيد السيليكون المُطعم بالألومنيوم (SiC:Al) من النوع الثاني ، تمامًا مثل Si:B. في المقابل، كربيد السيليكون المُطعم بالبورون (SiC:B) من النوع الأول . في محاولة لتفسير هذا الاختلاف، لوحظ أن مواقع السيليكون أكثر أهمية من مواقع الكربون للموصلية الفائقة في كربيد السيليكون. بينما يحل البورون محل الكربون في كربيد السيليكون، يحل الألومنيوم محل مواقع السيليكون. لذلك، "يرى" كل من الألومنيوم والبورون بيئة مختلفة، مما قد يفسر اختلاف خصائص SiC:Al وSiC:B ^{[ 21 ] .} 

عند ضغوط تتجاوز 90  جيجا باسكال ، يصبح كبريتيد الهيدروجين موصلاً معدنياً للكهرباء. وعند تبريده إلى ما دون درجة حرارة حرجة، تُظهر مرحلته عالية الضغط خاصية الموصلية الفائقة . وتزداد درجة الحرارة الحرجة مع الضغط، حيث تتراوح من 23  كلفن عند 100  جيجا باسكال إلى 150  كلفن عند 200  جيجا باسكال. ^{[ 22 ]} إذا تم ضغط كبريتيد الهيدروجين عند درجات حرارة أعلى، ثم تبريده، تصل درجة الحرارة الحرجة إلى 203 كلفن (-70 درجة مئوية) ، وهي أعلى درجة حرارة حرجة معتمدة للموصلية الفائقة حتى عام 2015. ومن خلال استبدال جزء صغير من الكبريت بالفوسفور واستخدام ضغوط أعلى، تم التنبؤ بإمكانية رفع درجة الحرارة الحرجة إلى ما فوق 0 درجة مئوية (273 كلفن) وتحقيق الموصلية الفائقة عند درجة حرارة الغرفة . ^{[ 23 ]}    

• ورشة العمل الدولية حول الموصلية الفائقة في الماس والمواد ذات الصلة 2005
• ورشة العمل الدولية حول الموصلية الفائقة في الماس والمواد ذات الصلة 2008
• مجلة "الماس الجديد وتكنولوجيا الكربون الرائدة"، المجلد 17، العدد 1، عدد خاص حول الموصلية الفائقة في الماس المصنّع بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار.
• بعض الأبحاث حول الماس فائق التوصيل