جامعة هارفارد تكشف عن نهج مبتكر للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية

طريقة التصنيع يمكن أن تسهل اكتشاف المواد.

• فريق هارفارد بقيادة فيليب كيم يبتكر موصلات فائقة الحرارة عالية الحرارة باستخدام النحاسات.
• طور أول صمام ثنائي فائق التوصيل في العالم، متقدمًا الاحصاء الكمية.
• أظهر التيار الفائق الاتجاهي والتحكم في الحالات الكمومية في BSCCO.

لقد أثارت الموصلات الفائقة اهتمام الفيزيائيين لعقود من الزمن. لكن هذه المواد، التي تسمح بتدفق الإلكترونات بشكل مثالي وبدون فقد، تظهر عادةً هذه الخصوصية في ميكانيكا الكم فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا – بضع درجات أعلى الصفر المطلق – لجعلها غير عملية.

أظهر فريق بحث بقيادة أستاذ الفيزياء والفيزياء التطبيقية بجامعة هارفارد، فيليب كيم، استراتيجية جديدة لصنع ومعالجة فئة تمت دراستها على نطاق واسع من الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة المرتفعة، والتي تسمى النحاسيات، مما يمهد الطريق لهندسة أشكال جديدة وغير عادية من الموصلية الفائقة في أماكن لم يكن من الممكن تحقيقها من قبل. مواد.

وباستخدام طريقة فريدة لتصنيع الأجهزة ذات درجات الحرارة المنخفضة، كتب كيم وفريقه تقريرهم في المجلة علوم مرشح واعد لأول صمام ثنائي فائق التوصيل وعالي الحرارة في العالم – وهو في الأساس مفتاح يجعل التيار يتدفق في اتجاه واحد – مصنوع من بلورات النحاسات الرقيقة. ومن الناحية النظرية، يمكن لمثل هذا الجهاز أن يغذي الصناعات الناشئة مثل الحوسبة الكمومية، التي تعتمد على ظواهر ميكانيكية عابرة يصعب الحفاظ عليها.

تمثيل رسومي للموصل الفائق النحاسي الملتوي والمكدس، مع البيانات المصاحبة في الخلفية. تصوير: لوسي ييب، يوشي سايتو، أليكس كوي، فرانك تشاو

وقال كيم: “إن الثنائيات فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية ممكنة في الواقع، دون تطبيق المجالات المغناطيسية، وتفتح أبوابًا جديدة للبحث في دراسة المواد الغريبة”.

النحاسيات هي أكاسيد النحاس التي قلبت عالم الفيزياء رأسًا على عقب منذ عقود مضت من خلال إظهار أنها تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى بكثير مما كان يعتقده المنظرون، وكلمة “أعلى” هي مصطلح نسبي (الرقم القياسي الحالي لموصل فائق النحاس هو -225). فهرنهايت). لكن التعامل مع هذه المواد دون تدمير مراحلها فائقة التوصيل أمر معقد للغاية بسبب خصائصها الإلكترونية والهيكلية المعقدة.

قاد تجارب الفريق إس واي فرانك تشاو، وهو طالب سابق في كلية جريفين للدراسات العليا في الآداب والعلوم وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة جريفين. معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. باستخدام طريقة معالجة البلورات المبردة الخالية من الهواء في الأرجون عالي النقاء، صمم تشاو واجهة نظيفة بين طبقتين رقيقتين للغاية من أكسيد النحاس والكالسيوم والبزموت والسترونتيوم، الملقب بـ BSCCO (“bisco”). يعتبر BSCCO موصلًا فائقًا “عالي الحرارة” لأنه يبدأ في التوصيل الفائق عند حوالي 288 درجة فهرنهايت – وهو بارد جدًا وفقًا للمعايير العملية، ولكنه مرتفع بشكل مدهش بين الموصلات الفائقة، والتي عادةً ما يجب تبريدها إلى حوالي -400 درجة فهرنهايت.

قام تشاو أولاً بتقسيم BSCCO إلى طبقتين، يبلغ عرض كل منهما جزءًا من الألف من عرض شعرة الإنسان. وبعد ذلك، عند درجة حرارة -130، قام بتكديس الطبقتين بزاوية 45 درجة، مثل شطيرة الآيس كريم مع رقائق منحرفة، مع الاحتفاظ بالموصلية الفائقة في الواجهة الهشة.

اكتشف الفريق أن الحد الأقصى للتيار الفائق الذي يمكن أن يمر دون مقاومة عبر الواجهة يختلف باختلاف اتجاه التيار. وبشكل حاسم، أظهر الفريق أيضًا تحكمًا إلكترونيًا في الحالة الكمومية البينية عن طريق عكس هذه القطبية. وكان هذا التحكم هو ما سمح لهم فعليًا بصنع صمام ثنائي فائق التوصيل وقابل للتحويل وذو درجة حرارة عالية، وهو عرض للفيزياء الأساسية التي يمكن دمجها يومًا ما في جزء من تكنولوجيا الحوسبة، مثل البت الكمي.

وقال تشاو: “هذه نقطة بداية في دراسة المراحل الطوبولوجية، التي تتميز بحالات كمومية محمية من العيوب”.

المرجع: “تناظر الانعكاس الزمني الذي يكسر الموصلية الفائقة بين الموصلات الفائقة النحاسية الملتوية” بقلم SY Frank Zhao، Xiaomeng Cui، Pavel A. Volkov، Hyobin Yoo، Sangmin Lee، Jules A. Gardener، Austin J. Akey، Rebecca Engelke، Yuval Ronen، Ruidan تشونغ، جيندا جو، ستيفان بلج، تارون تومورو، ميونج كيم، مارسيل فرانز، جيديديا إتش بيكسلي، نيكولا بوتشيا وفيليب كيم، 7 ديسمبر 2023، علوم.
دوى: 10.1126/science.abl8371

وعمل فريق هارفارد مع زملائه مارسيل فرانز من جامعة كولومبيا البريطانية وجيد بيكسلي من جامعة روتجرز، اللذين قام فريقهما في السابق بإجراء حسابات نظرية بدقة وتوقع سلوك الموصل الفائق النحاسي في أ مدى واسع من زوايا الالتواء. يتطلب التوفيق بين الملاحظات التجريبية أيضًا تطورات نظرية جديدة، قام بها بافيل أ. فولكوف من جامعة كونيتيكت.

تم دعم البحث جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم ووزارة الدفاع ووزارة الطاقة.