اكتشف علماء الكم ظاهرة في البرونز الأرجواني، وهو معدن أحادي البعد يسمح له بالتبديل بين الحالات العازلة وفائقة التوصيل. يتم تشغيل هذا التبديل عن طريق الحد الأدنى من المحفزات مثل الحرارة أو الضوء، بسبب “التماثل الناشئ”. هذا الاكتشاف الرائد، الذي بدأه البحث في المقاومة المغناطيسية للمعادن، يمكن أن يؤدي إلى تطوير مفاتيح مثالية في الأجهزة الكمومية، وهو معلم محتمل في تكنولوجيا الكم.

اكتشف علماء الكم ظاهرة في البرونز الأرجواني تعتبر أساسية لإنشاء “مفتاح مثالي” في الأجهزة الكمومية التي تتنقل بين العازل والموصل الفائق.

وتم نشر البحث الذي أجرته جامعة بريستول علومتم العثور على هاتين الحالتين الإلكترونيتين المتعارضتين داخل البرونز الأرجواني، وهو معدن فريد أحادي البعد يتكون من سلاسل ذرات موصلة فردية.

على سبيل المثال، يمكن للتغيرات الصغيرة في المادة المستحثة بواسطة محفز صغير مثل الحرارة أو الضوء أن تؤدي إلى تحول فوري من حالة عازلة ذات موصلية صفرية إلى موصل فائق ذو موصلية لا نهائية، والعكس صحيح. هذا التنوع المستقطب، المعروف باسم “التناظر الناشئ”، لديه القدرة على توفير مفتاح تشغيل/إيقاف ممتاز في تطورات تكنولوجيا الكم المستقبلية.

يوضح الشكل تمثيلاً للتناظر الناشئ، حيث يُظهر قطرة ماء متناظرة تمامًا تخرج من طبقات الجليد. وعلى النقيض من ذلك، فإن بلورات الثلج في الثلج لها شكل أكثر تعقيدًا وبالتالي أقل تناظرًا من قطرة الماء. ويشير اللون الأرجواني إلى المادة البرونزية الأرجوانية التي اكتشف منها هذا الحدث. الائتمان: جامعة بريستول

رحلة 13 سنة

المؤلف الرئيسي نايجل هوسي، أستاذ الفيزياء جامعة بريستولقال: “هذا اكتشاف مثير حقًا ويمكن أن يوفر انتقالًا مثاليًا للأجهزة الكمومية المستقبلية.

“بدأت الرحلة الرائعة منذ 13 عامًا في مختبري، عندما قام اثنان من طلاب الدكتوراه، شياو فنغ شو ونيك ويكهام، بقياس المجال المغناطيسي للبرونز البنفسجي – التغير في المقاومة الناجم عن المجال المغناطيسي.”

في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي، تعتمد مقاومة البرونز الأرجواني بشكل كبير على الاتجاه الذي يدخل فيه التيار. اعتمادها على درجة الحرارة معقد للغاية. في درجة حرارة الغرفة، تكون المقاومة معدنية، ولكن مع انخفاض درجة الحرارة، ينعكس ذلك وتصبح المادة عازلة. وبعد ذلك، عند درجات حرارة منخفضة جدًا، تنخفض المقاومة مرة أخرى عندما تصبح موصلًا فائقًا. على الرغم من هذا التعقيد، من المثير للدهشة أن إزالة المغناطيسية كانت بسيطة للغاية. بغض النظر عن الاتجاه الذي تم فيه محاذاة التيار أو المجال، فإنه يتبع اعتمادًا خطيًا مثاليًا على درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة التحول فائقة التوصيل.

وأوضح البروفيسور هوسي: “مع عدم وجود تفسير متماسك لهذا السلوك المحير، ظلت البيانات خاملة وغير منشورة على مدى السنوات السبع المقبلة. مثل هذه الفجوة في الأبحاث الكمومية غير عادية، ولكنها ليست بسبب نقص الإحصائيات”.

“مثل هذه البساطة في الاستجابة المغناطيسية تتناقض دائمًا مع مظهر التعقيد.

لقاء الصدفة يؤدي إلى انفراجة

في عام 2017، عمل البروفيسور هوسي في جامعة رادبود وقام الفيزيائي الدكتور بيوتر تشودزينسكي بالترويج لندوة حول البرونز الأرجواني. في ذلك الوقت، كان بعض الباحثين يخصصون ندوة كاملة لهذا الموضوع غير المعروف، لذلك أثار اهتمامه.

قال البروفيسور هوسي: “في الندوة، اقترح تشودزينسكي أن ارتفاع المقاومة يمكن أن يكون ناجمًا عن التداخل بين إلكترونات التوصيل والجسيمات الهجينة بعيدة المنال والتي تسمى “الإكسيتونات المظلمة”. بعد الندوة تحدثنا واقترحنا تجربة لاختبار نظريته. وقد أكدت قياساتنا اللاحقة ذلك بشكل أساسي.

مدعومًا بهذا النجاح، قام البروفيسور هوسي بإحياء بيانات الغلاف المغناطيسي الخاصة بـ Xu وWakeham وعرضها على الدكتور Chudzinski. هناك سمتان أساسيتان للبيانات – الخطية مع درجة الحرارة واستقلال اتجاه التيار والميدان – أثارت اهتمام تشودزينسكي، وكذلك قدرة المادة على إظهار سلوك عازل وفائق التوصيل اعتمادًا على كيفية نمو المادة.

تساءل الدكتور تشودزينسكي عما إذا كان التفاعل بين حاملات الشحنة والإكسيتونات، الذي قدمه سابقًا، سينجذب نحو الحدود بين الحالات العازلة والموصلية الفائقة عندما تنخفض درجة الحرارة، بدلاً من العزل الكامل. عند الحد الأقصى، يكون احتمال كون النظام عازلًا أو موصلًا فائقًا هو نفسه بشكل أساسي.

وقال البروفيسور هوسي: “مثل هذا التماثل الفيزيائي هو حالة غير عادية، وتشكيل مثل هذا التماثل في المعدن عندما تنخفض درجة الحرارة، ومن هنا فإن مصطلح “التناظر الناشئ” سيكون الأول من نوعه في العالم”.

يعرف الفيزيائيون ظاهرة كسر التماثل: فقدان تماثل نظام الإلكترون أثناء التبريد. مثال على هذا التماثل المكسور هو الترتيب المعقد لجزيئات الماء في مكعب الثلج. لكن المحادثة حدث نادر، إن لم يكن فريدًا. وبالعودة إلى تشبيه الماء/الجليد، فعندما يبرد الجليد أكثر، يصبح تعقيد بلورات الجليد مرة أخرى متماثلًا وناعمًا مثل قطرة الماء.

التماثل الناشئ: ظاهرة نادرة

وقال الدكتور تشودزينسكي، وهو الآن زميل باحث في جامعة كوينز في بلفاست: “تخيل خدعة سحرية حيث يتحول الشكل الباهت والمشوه إلى كرة جميلة ومتماثلة تمامًا. هذا، باختصار، جوهر التناظر الناشئ. الشكل فالسؤال هو مادتنا، البرونز الأرجواني، في حين أن الطبيعة هي ساحرتنا.”

لمزيد من اختبار ما إذا كانت هذه النظرية تحتوي على الماء، تم فحص 100 بلورة فردية إضافية، بعضها عازل والبعض الآخر فائق التوصيل، من قبل طالب دكتوراه آخر في جامعة رادبود، مورتن بيربن.

وأضاف البروفيسور هوسي: “بعد جهود مورتون المكثفة، أصبحت القصة كاملة وأصبح السبب وراء ظهور البلورات المختلفة مثل هذه الحالات الأرضية المختلفة واضحًا. وبالنظر إلى المستقبل، يمكن استغلال هذه “الحافة” لإنشاء مفاتيح في الدوائر الكمومية، حيث يمكن للمحفزات الصغيرة أن تحدث تغييرات عميقة ذات حجم كبير في مقاومة التبديل.

المرجع: “التماثل الناشئ في موصل فائق منخفض الأبعاد عند حافة الاعتدال” بقلم P. Chudzinski، M. Berben، Xiaofeng Xu، N. Wakeham، B. Bernáth، C. Duffy، RDH Hinlopen، Yu-Te Hsu، S ويدمان، بي. تينيمانز، رونجيينج جين، إم. جرينبلات وإن إي هوسي، 16 نوفمبر 2023، علوم.
دوى: 10.1126/science.abp8948