يكتشف العلماء وجود حالة فائقة التوصيلية بعيدة المنال تم التنبؤ بها لأول مرة في عام 2017

في تجربة رائدة ، تعاون باحثون من جامعة جرونينجن مع أقرانهم من جامعتي نيميغن وتوينتي في هولندا ، ومعهد هاربين للتكنولوجيا في الصين. وأكدوا معًا وجود حالة فائقة التوصيل تم التنبؤ بها لأول مرة في عام 2017.

تم نشر النتائج التي توصلوا إليها ، والتي تثبت دليلاً على وجود شكل فريد من حالة FFLO فائقة التوصيل ، في المجلة مؤخرًا طبيعة. هذا الاختراق لديه القدرة على أن يكون مؤثرًا ، لا سيما في مجال الإلكترونيات فائقة التوصيل.

هذا هو الأستاذ الدكتور جاستن يي ، رئيس مجموعة فيزياء الأجهزة للمواد المعقدة بجامعة جرونينجن بهولندا ، والمؤلف الرئيسي لورقة نيتشر حول حالة الموصلية الفائقة لـ FFLO. الائتمان: سيلفيا جيرمس

المؤلف الرئيسي للورقة هو البروفيسور جوستين يي ، الذي يرأس مجموعة فيزياء الأجهزة للمواد المعقدة في جامعة جرونينجن. كان يي وفريقه يعملون على حالة التوصيل الفائق Ising. هذه حالة خاصة يمكنها مقاومة المجالات المغناطيسية التي تدمر الموصلية الفائقة بشكل عام ، وكان ذلك كذلك وصفه الفريق في عام 2015.

في عام 2019 ، أنشأوا جهاز يشتمل على طبقة مزدوجة من ثاني كبريتيد الموليبدينومe يمكن أن يقترن بحالات الموصلية الفائقة Ising الموجودة في الطبقتين. ومن المثير للاهتمام أن الجهاز الذي ابتكره يي وفريقه يجعل من الممكن تشغيل هذه الحماية أو إيقاف تشغيلها باستخدام مجال كهربائي ، مما ينتج عنه ترانزستور فائق التوصيل.

صعبة المنال

يلقي جهاز Ising المزدوج الموصل الفائق الضوء على تحدٍ طويل الأمد في مجال الموصلية الفائقة. في عام 1964 ، توقع أربعة علماء (Fulde و Ferrell و Larkin و Ovchinnikov) حالة خاصة فائقة التوصيل يمكن أن توجد في ظل ظروف درجة حرارة منخفضة ومجال مغناطيسي قوي ، يشار إليها باسم حالة FFLO.

في الموصلية الفائقة القياسية ، تنتقل الإلكترونات في اتجاهين متعاكسين كأزواج كوبر. نظرًا لأنها تتحرك بنفس السرعة ، فإن زخم الحركة الكلي لهذه الإلكترونات يساوي صفرًا. ومع ذلك ، في حالة FFLO ، يوجد اختلاف بسيط في السرعة بين الإلكترونات في أزواج Cooper ، مما يعني وجود زخم حركي صافي.

يقول يي: “هذه الحالة بعيدة المنال للغاية ولا يوجد سوى عدد قليل من المواد التي تدعي وجودها في الموصلات الفائقة العادية”. “ومع ذلك ، لا شيء من هذا قاطع.”

يوضح مخطط الطور هذا وجود حالة مدارية متباينة الخواص ذات ستة أضعاف ، والتي تحتل جزءًا كبيرًا من مخطط الطور. في الزاوية اليمنى العليا ، تعرض الرسوم التوضيحية التخطيطية التعديل المكاني لمعلمة ترتيب التوصيل الفائق. الائتمان: P. Wan / جامعة جرونينجن

لإنشاء حالة FFLO في موصل فائق تقليدي ، هناك حاجة إلى مجال مغناطيسي قوي. لكن الدور الذي يلعبه المجال المغناطيسي يحتاج إلى تعديل دقيق. ببساطة ، لكي يلعب المجال المغناطيسي دورين ، نحتاج إلى استخدام تأثير زيمان. هذا يفصل الإلكترونات في أزواج Cooper بناءً على اتجاه دورانها (لحظة مغناطيسية) ، ولكن ليس على التأثير المداري – الدور الآخر الذي عادةً ما يدمر الموصلية الفائقة.

يوضح يي: “إنه تفاوض دقيق بين الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي الخارجي”.

بصمة

أنتج المؤلف الأول بوهوا وان العينات التي استوفت جميع المتطلبات لإثبات أن هناك بالفعل زخمًا محدودًا في أزواج كوبر. الائتمان: P. Wan / جامعة جرونينجن

هو الموصلية الفائقة ، التي قدمها يي ومعاونوه ونشروها في المجلة علوم في عام 2015 ، قمع تأثير زيمان. يقول يي: “من خلال تصفية المكون الرئيسي الذي يجعل FFLO التقليدي ممكنًا ، وفرنا مساحة واسعة للمجال المغناطيسي ليلعب دوره الآخر ، وهو التأثير المداري”.

يوضح يي: “ما أظهرناه في ورقتنا هو بصمة واضحة لحالة FFLO المدفوعة بالتأثير المداري في الموصل الفائق Ising”. “هذه حالة FFLO غير تقليدية ، تم وصفها لأول مرة نظريًا في عام 2017.” تتطلب حالة FFLO في الموصلات الفائقة التقليدية درجات حرارة منخفضة للغاية ومجالًا مغناطيسيًا قويًا للغاية ، مما يجعل من الصعب تكوينها. ومع ذلك ، في الموصل الفائق Ye’s Ising ، يتم الوصول إلى الحالة بمجال مغناطيسي أضعف وفي درجات حرارة أعلى.

الترانزستورات

في الواقع ، لاحظ يي لأول مرة علامات حالة FFLO في جهازه فائق التوصيل لثاني كبريتيد الموليبدينوم في عام 2019. يقول يي: “في ذلك الوقت ، لم نتمكن من إثبات ذلك ، لأن العينات لم تكن جيدة بما يكفي”. ومع ذلك ، فقد حصل على درجة الدكتوراه. نجح الطالب Puhua Wan منذ ذلك الحين في إنتاج عينات من المواد التي استوفت جميع المتطلبات لإظهار أن هناك بالفعل زخمًا محدودًا في أزواج Cooper. يقول يي: “استغرقت التجارب الفعلية نصف عام ، لكن تحليل النتائج أضاف عامًا آخر”. Wan هو المؤلف الأول لملف طبيعة ورق.

تحتاج حالة التوصيل الفائق الجديدة هذه إلى مزيد من التحقيق. أنتم: “هناك الكثير لنتعلمه عنه. على سبيل المثال ، كيف يؤثر الزخم الحركي على المعلمات الفيزيائية؟ ستوفر دراسة هذه الحالة رؤى جديدة في الموصلية الفائقة. وهذا قد يمكننا من التحكم في هذه الحالة في أجهزة مثل الترانزستورات. هذا هو التحدي التالي الذي نواجهه “.

المرجع: “Orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in Ising superconductor” لـ Puhua Wan و Oleksandr Zheliuk و Noah FQ Yuan و Xiaoli Peng و Le Zhang و Minpeng Liang و Uli Zeitler و Steffen Wiedmann و Nigel E. طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-05967-z