الاختراق الكمي يكشف عن الطبيعة الخفية للموصلات الفائقة

يكشف التأثير الحراري عن الصورة الكاملة للتقلبات في الموصلية الفائقة.

تقلبات ضعيفة في الموصلية الفائقة،^[1] تم اكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة بنجاح من قبل مجموعة بحثية في معهد طوكيو للتكنولوجيا (Tokyo Tech). تم تحقيق هذا الإنجاز من خلال قياس التأثير الحراري^[2] في الموصلات الفائقة على نطاق واسع من المجالات المغناطيسية وعلى نطاق واسع من درجات الحرارة من أعلى بكثير من درجة حرارة التحول فائقة التوصيل إلى درجات حرارة منخفضة جدًا بالقرب من الصفر المطلق.

كشف هذا عن الصورة الكاملة للتقلبات في الموصلية الفائقة فيما يتعلق بدرجة الحرارة والمجال المغناطيسي، وأظهر أن أصل الحالة المعدنية الشاذة في المجالات المغناطيسية، والتي كانت مشكلة لم يتم حلها في مجال الموصلية الفائقة ثنائية الأبعاد^[3] لمدة 30 عامًا، هو وجود نقطة كمية حرجة^[4] حيث تكون التقلبات الكمومية في أقوى حالاتها.

فهم الموصلات الفائقة

الموصل الفائق هو مادة تقترن فيها الإلكترونات عند درجات حرارة منخفضة، مما يؤدي إلى انعدام المقاومة الكهربائية. يتم استخدامه كمادة للمغناطيسات الكهربائية القوية في التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي والتطبيقات الأخرى. كما أنها تعتبر حاسمة كعناصر منطقية صغيرة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تعمل في درجات حرارة منخفضة، وهناك حاجة لتوضيح خصائص الموصلات الفائقة في درجات حرارة منخفضة عندما يتم تصغيرها.

تتأثر الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد الرقيقة ذريًا بشدة بالتقلبات، وبالتالي تظهر خصائص تختلف بشكل كبير عن خصائص الموصلات الفائقة الأكثر سمكًا. هناك نوعان من التقلبات: الحرارية (الكلاسيكية)، والتي تكون أكثر وضوحًا عند درجات الحرارة المرتفعة، والكمية، وهي أكثر أهمية في درجات الحرارة المنخفضة جدًا، وهذا الأخير يسبب مجموعة متنوعة من الظواهر المثيرة للاهتمام.

على سبيل المثال، عند تطبيق مجال مغناطيسي بشكل عمودي على موصل فائق ثنائي الأبعاد عند الصفر المطلق وزيادة، يحدث انتقال من الموصلية الفائقة ذات المقاومة الصفرية إلى عازل ذو إلكترونات موضعية. تسمى هذه الظاهرة انتقال عازل الموصل الفائق الناجم عن المجال المغناطيسي وهي مثال نموذجي لانتقال الطور الكمي^[4] الناجمة عن التقلبات الكمومية.

الشكل 1. (يسار) في مجال مغناطيسي متوسط ​​الحجم، تخترق خطوط التدفق المغناطيسي على شكل عيوب مصحوبة بدوامات من تيارات فائقة التوصيل. (في الوسط) رسم تخطيطي مفاهيمي لحالة “تقلب الموصلية الفائقة”، وهي مقدمة للموصلية الفائقة. تتشكل مناطق فائقة التوصيل متغيرة بمرور الوقت وغير موحدة مكانيًا وشبيهة بالفقاعات. (يمين) رسم تخطيطي لقياس التأثير الحراري. تولد حركة خط التدفق المغناطيسي وتقلبات الموصلية الفائقة جهدًا عموديًا على تدفق الحرارة (تدرج درجة الحرارة). الائتمان: كويشيرو إيناجا

ومع ذلك، فمن المعروف منذ التسعينيات أنه بالنسبة للعينات ذات تأثيرات التوطين الضعيفة نسبيًا، تظهر حالة معدنية شاذة في منطقة المجال المغناطيسي الوسيط حيث تكون المقاومة الكهربائية أقل بعدة مراتب من الحالة الطبيعية. ويُعتقد أن أصل هذه الحالة المعدنية الشاذة هو حالة شبيهة بالسائل، حيث تتحرك خطوط التدفق المغناطيسي (الشكل 1 على اليسار) التي تخترق الموصل الفائق، بسبب التقلبات الكمومية.

ومع ذلك، لم يتم إثبات هذا التنبؤ لأن معظم التجارب السابقة على الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد استخدمت قياسات المقاومة الكهربائية التي تفحص استجابة الجهد للتيار، مما يجعل من الصعب التمييز بين إشارات الجهد الناشئة عن حركة خطوط التدفق المغناطيسي وتلك الناشئة عن تشتت الإلكترونات ذات التوصيل الطبيعي.

أفاد فريق بحثي بقيادة البروفيسور المساعد كويشيرو إيناجا والبروفيسور ساتوشي أوكوما من قسم الفيزياء بكلية العلوم بجامعة طوكيو للتكنولوجيا في رسائل المراجعة البدنية في عام 2020، تحدث الحركة الكمومية لخطوط التدفق المغناطيسي في حالة معدنية شاذة باستخدام التأثير الكهروحراري، حيث يتم توليد الجهد الكهربي فيما يتعلق بتدفق الحرارة (تدرج درجة الحرارة) بدلاً من التيار.

ومع ذلك، لمزيد من التوضيح أصل الحالة المعدنية الشاذة، فمن الضروري توضيح الآلية التي يتم من خلالها تدمير حالة التوصيل الفائق عن طريق التقلب الكمومي والانتقال إلى الحالة الطبيعية (العازلة). في هذه الدراسة، أجروا قياسات تهدف إلى الكشف عن حالة تقلب الموصلية الفائقة (مركز الشكل 1)، وهي حالة تمهيدية للموصلية الفائقة ويعتقد أنها موجودة في الحالة الطبيعية.

الشكل 2. تم الكشف عن الصورة الكاملة للتقلبات في الموصلية الفائقة عبر نطاق مجال مغناطيسي واسع وعلى نطاق واسع من درجات الحرارة، من أعلى بكثير من درجة حرارة التحول فائقة التوصيل إلى درجة حرارة منخفضة جدًا تبلغ 0.1 كلفن. وجود خط تقاطع بين الحرارة تم عرض التقلبات (الكلاسيكية) والكمية لأول مرة، ووُجد أن النقطة الحرجة الكمومية التي يصل فيها هذا الخط إلى الصفر المطلق موجودة داخل المنطقة المعدنية الشاذة. الائتمان: كويشيرو إيناجا

إنجازات وتقنيات البحث

في هذه الدراسة، تم العثور على الموليبدينوم الجرمانيوم (Mo_سجي_1-س) رقيقةس مع هيكل غير متبلور،^[5] المعروف بأنه موصل فائق ثنائي الأبعاد ذو بنية موحدة وفوضوية، تم تصنيعه واستخدامه. تبلغ سماكته 10 نانومتر (النانومتر الواحد هو جزء من المليار من المتر)، ويعد بأن يكون له تأثيرات التقلب المميزة للأنظمة ثنائية الأبعاد.

نظرًا لأنه لا يمكن اكتشاف إشارات التقلب عن طريق قياسات المقاومة الكهربائية لأنها مدفونة في إشارة تشتت الإلكترون ذي التوصيل الطبيعي، فقد أجرينا قياسات التأثير الكهروحراري، والتي يمكنها اكتشاف نوعين من التقلبات: (1) تقلبات التوصيل الفائق (تقلبات في سعة الموصلية الفائقة ) و (2) حركة خط التدفق المغناطيسي (تقلبات في مرحلة الموصلية الفائقة).

عندما يتم تطبيق اختلاف في درجة الحرارة في الاتجاه الطولي للعينة، فإن تقلبات الموصلية الفائقة وحركة خطوط التدفق المغناطيسي تولد جهدًا في الاتجاه العرضي. في المقابل، فإن حركة الإلكترون العادية تولد الجهد في الاتجاه الطولي بشكل أساسي. خاصة في عينات مثل المواد غير المتبلورة، حيث لا تتحرك الإلكترونات بسهولة، يكون الجهد الناتج عن الإلكترونات في الاتجاه العرضي ضئيلًا، لذلك يمكن اكتشاف مساهمة التقلب وحدها بشكل انتقائي عن طريق قياس الجهد العرضي (الشكل 1، على اليمين).

تم قياس التأثير الحراري الكهربائي في مجموعة متنوعة من المجالات المغناطيسية وفي مجموعة متنوعة من درجات الحرارة تتراوح من أعلى بكثير من درجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة البالغة 2.4 كلفن (كلفن) إلى درجة حرارة منخفضة جدًا تبلغ 0.1 كلفن (1/3000 من 300 كلفن، درجة حرارة الغرفة )، والتي تقترب من الصفر المطلق. ويكشف ذلك أن تقلبات الموصلية الفائقة لا تبقى موجودة فقط في المنطقة السائلة من التدفق المغناطيسي (المنطقة الحمراء الداكنة في الشكل 2)، حيث تكون تقلبات الطور فائق التوصيل أكثر وضوحًا، ولكن أيضًا على منطقة واسعة من المجال المغناطيسي بدرجة الحرارة أبعد إلى الخارج والتي تعتبر تكون منطقة الحالة الطبيعية، حيث يتم تدمير الموصلية الفائقة (منطقة المجال المغناطيسي العالي ودرجة الحرارة العالية فوق الخط الصلب المحدب العلوي في الشكل 2). والجدير بالذكر أنه تم بنجاح اكتشاف خط التقاطع بين التقلبات الحرارية (الكلاسيكية) والكمية لأول مرة (الخط الصلب السميك في الشكل 2).

من المحتمل أن تتوافق قيمة المجال المغناطيسي عندما يصل خط التقاطع إلى الصفر المطلق مع النقطة الحرجة الكمومية حيث تكون التقلبات الكمومية أقوى، وتقع تلك النقطة (الدائرة البيضاء في الشكل 2) بوضوح داخل نطاق المجال المغناطيسي حيث توجد حالة معدنية شاذة. وقد لوحظ في المقاومة الكهربائية. ولم يكن من الممكن الكشف عن وجود هذه النقطة الكمومية الحرجة من قياسات المقاومة الكهربائية حتى الآن.

تكشف هذه النتيجة أن الحالة المعدنية الشاذة في المجال المغناطيسي عند الصفر المطلق في الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد، والتي ظلت دون حل لمدة 30 عامًا، تنشأ من وجود النقطة الحرجة الكمومية. وبعبارة أخرى، فإن الحالة المعدنية الشاذة هي حالة أرضية حرجة كمومية موسعة للانتقال من الموصل الفائق إلى العازل.

تداعيات

يمكن اعتبار قياسات التأثير الكهروحراري التي تم الحصول عليها للموصلات الفائقة التقليدية غير المتبلورة بمثابة بيانات قياسية للتأثير الكهروحراري على الموصلات الفائقة، لأنها تلتقط تأثير التقلبات في الموصلية الفائقة دون مساهمة إلكترونات الحالة الطبيعية. يعد التأثير الحراري مهمًا من حيث تطبيقه على أنظمة التبريد الكهربائية، وما إلى ذلك، وهناك حاجة لتطوير مواد تظهر تأثيرًا حراريًا كبيرًا عند درجات حرارة منخفضة لتوسيع الحد الأقصى لدرجات حرارة التبريد. تم الإبلاغ عن تأثيرات كهروحرارية كبيرة بشكل غير عادي عند درجات حرارة منخفضة في بعض الموصلات الفائقة، وقد توفر المقارنة مع البيانات الحالية دليلاً على مصدرها.

تطويرات مستقبلية

من بين الاهتمامات الأكاديمية التي سيتم تطويرها في هذه الدراسة توضيح التنبؤ النظري القائل بأنه في الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد ذات تأثيرات توطين أقوى من العينة الحالية، ستكون خطوط التدفق المغناطيسي في حالة مكثفة كمومية6. للمضي قدمًا، نخطط لنشر التجارب باستخدام طرق هذه الدراسة بهدف اكتشافها.

تم نشر نتائج هذه الدراسة على الانترنت في اتصالات الطبيعة في 16 مارس 2024.

شروط

1. التقلبات في الموصلية الفائقة: قوة الموصلية الفائقة ليست موحدة وتتقلب في الزمان والمكان. من الطبيعي أن تحدث تقلبات حرارية، ولكن بالقرب من الصفر المطلق، تحدث تقلبات كمومية بناءً على مبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم.
2. التأثير الحراري: تأثير تبادل الطاقة الحرارية والكهربائية. يتم توليد الجهد عند تطبيق فرق في درجة الحرارة، في حين يتم إنتاج فرق في درجة الحرارة عند تطبيق الجهد. تتم دراسة الأول لاستخدامه كجهاز لتوليد الطاقة والأخير كجهاز تبريد. في هذه الدراسة، تم استخدامه كوسيلة للكشف عن التقلبات في الموصلية الفائقة.
3. الموصلية الفائقة ثنائية الأبعاد: موصل فائق رقيق للغاية. عندما يصبح السُمك أقل من المسافة بين أزواج الإلكترونات المسؤولة عن الموصلية الفائقة، يصبح تأثير التقلبات في الموصلية الفائقة أقوى، وتختلف خصائص الموصلات الفائقة تمامًا عن خصائص الموصلات الفائقة الأكثر سمكًا.
4. النقطة الحرجة الكمومية، انتقال المرحلة الكمومية: يُطلق على انتقال الطور الذي يحدث عند الصفر المطلق عندما يتم تغيير معلمة مثل المجال المغناطيسي اسم انتقال الطور الكمي، ويتميز عن انتقال الطور الناتج عن تغير درجة الحرارة. النقطة الحرجة الكمومية هي نقطة انتقال الطور حيث يتم انتقال الطور الكموميس تحدث وحيث تكون التقلبات الكمومية أقوى.
5. هيكل غير متبلور: بنية المادة التي يتم ترتيب الذرات فيها بطريقة غير منتظمة وليس لها بنية بلورية.
6. الحالة الكمومية المكثفة: حالة يقع فيها عدد كبير من الجسيمات في حالة الطاقة الأدنى وتتصرف كموجة عيانية مفردة. في حالة التوصيل الفائق، يتم تكثيف العديد من أزواج الإلكترونات. ويتكثف الهيليوم السائل أيضًا عند تبريده إلى 2.17 كلفن، مما ينتج عنه سيولة فائقة مع عدم اللزوجة.

المرجع: “الحالة الأرضية الحرجة الكمومية الموسعة في فيلم رقيق فائق التوصيل مضطرب” بقلم كويشيرو إيناجا ويوتاكا تاموتو وماساهيرو يودا ويوكي يوشيمورا وتاكاهيرو إيشيجامي وساتوشي أوكوما، 16 مارس 2024، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-024-46628-7