يكشف الاختراق الكمي عن الطبيعة الخفية للموصل الفائق

ويكشف التأثير الحراري الصورة الكاملة للتقلبات في الموصلية الفائقة.

تقلبات ضعيفة في الموصلية الفائقة،^[1] تم اكتشاف ظاهرة رائدة للموصلية الفائقة بنجاح من قبل فريق بحث 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 درجات حرارة أعلى بكثير إلى درجات حرارة أقل بكثير من درجة الحرارة الانتقالية فائقة التوصيل. الصفر المطلق.

كشف هذا عن صورة كاملة لتقلبات الموصلية الفائقة فيما يتعلق بدرجة الحرارة والمجال المغناطيسي، وأظهر أصل الحالة المعدنية الشاذة في المجالات المغناطيسية، والتي كانت مشكلة لم يتم حلها في مجال الموصلية الفائقة ثنائية الأبعاد.^[3] لمدة 30 عاما، وجود نقطة حرجة الكم^[4] التقلبات الكمومية قوية جدًا هناك.

فهم الموصلات الفائقة

الموصل الفائق هو مادة تنتج مقاومة كهربائية صفر نتيجة اندماج الإلكترونات في درجات حرارة منخفضة. يتم استخدامه كمادة للمغناطيسات الكهربائية القوية في التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي والتطبيقات الأخرى. كما أنها تعتبر مهمة كمكونات منطقية صغيرة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تعمل في درجات الحرارة المبردة، وهناك حاجة لتوضيح خصائص الموصلات الفائقة في درجات الحرارة المبردة 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، والتي تكون أكثر أهمية في درجات الحرارة المنخفضة جدًا، وهذا الأخير يسبب العديد من الظواهر المثيرة للاهتمام.

على سبيل المثال، إذا تم تطبيق مجال مغناطيسي على موصل فائق ثنائي الأبعاد متعامد مع الصفر ويزداد، يحدث الانتقال من الموصلية الفائقة ذات المقاومة الصفرية إلى عازل به إلكترونات موضعية. تُسمى هذه الظاهرة بانتقال عازل الموصل الفائق الناجم عن المجال المغناطيسي، وهي مثال نموذجي لانتقال الطور الكمي.^[4] الناجمة عن التقلبات الكمومية.

الشكل 1. (يسار) في المجال المغناطيسي المعتدل، تخترق خطوط التدفق المغناطيسي نمط الخلل جنبًا إلى جنب مع دوامات التيارات فائقة التوصيل. (في الوسط) رسم تخطيطي مفاهيمي لحالة “تقلب الموصلية الفائقة”، وهي مقدمة للموصلية الفائقة. تتشكل مناطق فائقة التوصيل متفاوتة بمرور الوقت وعشوائية مكانيًا وشبيهة بالفقاعات. (يمين) رسم تخطيطي لقياس التأثير الحراري. تخلق حركة خط التدفق المغناطيسي وتقلبات الموصلية الفائقة جهدًا عموديًا على تدفق الحرارة (تدرج درجة الحرارة). الائتمان: كويشيرو إيناجا

ومع ذلك، منذ التسعينيات، بالنسبة للعينات ذات تأثيرات التوطين الضعيفة نسبيًا، تظهر حالة معدنية شاذة في منطقة المجال المغناطيسي المتوسط، حيث تكون المقاومة أقل بعدة مراتب من الحالة الطبيعية. يُعتقد أن أصل هذه الحالة المعدنية الشاذة هو حالة تشبه السائل حيث تخترق خطوط التدفق المغناطيسي (الشكل 1 على اليسار) الموصل الفائق بسبب التقلبات الكمومية.

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

فريق البحث بقيادة البروفيسور المساعد كويشيرو إيناكا والبروفيسور ساتوشي أوكوما من قسم الفيزياء بكلية العلوم في جامعة طوكيو للتكنولوجيا. رسائل المراجعة البدنية في عام 2020، تحدث الحركة الكمومية لخطوط التدفق المغناطيسي في حالة معدنية شاذة باستخدام التأثير الكهروحراري، حيث يتم توليد جهد كهربائي اعتمادًا على تدفق الحرارة (تدرج درجة الحرارة) بدلاً من التيار.

ومع ذلك، لمزيد من توضيح 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 اكتشاف حالة تقلب الموصلية الفائقة (مركز الشكل 1)، والتي يُعتقد أنها الحالة الأولية للموصلية الفائقة والحالة الطبيعية.

الشكل 2. تم الكشف عن صورة كاملة لتقلبات الموصلية الفائقة عبر نطاق مجال مغناطيسي واسع وعلى نطاق واسع من درجات الحرارة، بدءًا من درجة حرارة أعلى بكثير من درجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة إلى ما يصل إلى 0.1 كلفن. تم إثبات وجود خط متقاطع بين التقلبات الحرارية (الكلاسيكية) والكمية لأول مرة، ووُجد أن النقطة الحرجة الكمومية التي يصل فيها هذا الخط إلى الصفر المطلق تقع داخل المنطقة المعدنية الشاذة. الائتمان: كويشيرو إيناجا

إنجازات وتقنيات البحث

في هذه الدراسة، تم العثور على الموليبدينوم الجرمانيوم (Mo_Xجي_1-X) رقيقةس مع هيكل غير متبلور،^[5] يُعرف بأنه موصل فائق ثنائي الأبعاد ذو بنية موحدة وفوضوية، وقد تم تصنيعه واستخدامه. تبلغ سماكته 10 نانومتر (النانومتر هو جزء من مليار من المتر) ويعد بأن يكون له التأثيرات المتقلبة للهياكل ثنائية الأبعاد.

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

عند تطبيق اختلاف في درجة الحرارة في الاتجاه الطولي للعينة، فإن تقلبات الموصلية الفائقة وحركة خطوط التدفق المغناطيسي تولد جهدًا في الاتجاه العرضي. على العكس من ذلك، فإن حركة الإلكترون العادية تنتج جهدًا في الاتجاه الطولي بشكل أساسي. وخاصة في عينات مثل المواد غير المتبلورة، حيث لا تتحرك الإلكترونات بسهولة، فإن الجهد الناتج عن الإلكترونات في الاتجاه العرضي لا يكاد يذكر، لذلك يمكن اكتشاف مساهمة التقلب بشكل انتقائي عن طريق قياس الجهد العرضي (الشكل 1، يمين).

تم قياس التأثير الحراري في مجالات مغناطيسية مختلفة وعند درجات حرارة تتراوح من أعلى بكثير من درجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة البالغة 2.4 كلفن (K) إلى 0.1 كلفن (1/3000 عند 300 كلفن، و1/3000 عند درجة حرارة الغرفة). )، والتي تقترب من الصفر المطلق. يكشف هذا أن تقلبات الموصلية الفائقة لا تبقى موجودة فقط في المنطقة السائلة من التدفق المغناطيسي (المنطقة الحمراء الداكنة في الشكل 2)، حيث تكون تقلبات طور الموصلية الفائقة أكثر وضوحًا، ولكن أيضًا في منطقة المجال المغناطيسي الأوسع التي يتم النظر فيها خارجيًا. تكون منطقة الحالة الطبيعية حيث يتم تدمير الموصلية الفائقة (المنطقة ذات درجة الحرارة العالية والمغناطيسية العالية فوق الخط الصلب المحدب العلوي في الشكل 2). ومن اللافت للنظر أنه تم بنجاح اكتشاف الخط المتقاطع بين التقلبات الحرارية (الكلاسيكية) والكمية لأول مرة (الخط الصلب السميك في الشكل 2).

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 ضمن نطاق المجال المغناطيسي، حيث توجد حالة معدنية مضطربة موجود. وجدت في المقاومة الكهربائية. لم يتم بعد اكتشاف وجود هذه النقطة الحرجة الكمومية من خلال قياسات المقاومة.

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

تداعيات

تعتبر قياسات التأثير الكهروحراري التي تم الحصول عليها للموصلات الفائقة التقليدية غير المتبلورة بيانات قياسية للتأثير الكهروحراري على الموصلات الفائقة لأنها تلتقط تأثير التقلبات في الموصلية الفائقة دون مساهمة إلكترونات الحالة الطبيعية. التأثير الحراري مهم من حيث تطبيقه في أنظمة التبريد الكهربائية، وهناك حاجة لتطوير المواد التي تظهر تأثيرًا حراريًا كبيرًا عند درجات حرارة منخفضة لتوسيع نطاق درجات 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 أدلة حول مصدرها.

تطويرات مستقبلية

يوضح الاهتمام الأكاديمي الناتج عن هذه الدراسة التنبؤ النظري بأن خطوط التدفق المغناطيسي تتكثف كميًا في الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد مع تأثيرات توطين أقوى من النموذج الحالي. للمضي قدمًا، نخطط لتسلسل التجارب باستخدام طرق هذه الدراسة بهدف اكتشافها.

ونشرت نتائج هذه الدراسة على الانترنت التواصل الطبيعي في 16 مارس 2024.

معيار

1. التقلبات في الموصلية الفائقة: قوة الموصلية الفائقة ليست موحدة وتتقلب في الزمان والمكان. التقلبات الحرارية طبيعية، ولكن بالقرب من الصفر المطلق، تحدث التقلبات الكمومية بناءً على مبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم.
2. التأثير الحراري: تأثير نقل الطاقة الحرارية والكهربائية. يتم إنشاء الجهد عند تطبيق اختلاف في درجة الحرارة، في حين يتم إنشاء فرق في درجة الحرارة عند تطبيق الجهد. يتم استخدام الأول 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 جدًا. 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 عند تغيير معلمة، مثل المجال المغناطيسي، انتقال الطور الكمي، ويتميز عن انتقال الطور الناتج عن تغير درجة الحرارة. النقطة الحرجة الكمومية هي نقطة انتقال الطور لانتقال الطور الكموميس تحدث وتكون التقلبات الكمومية قوية.
5. هيكل غير متبلور: بنية المادة التي يتم ترتيب الذرات فيها بشكل غير منتظم وليس لها بنية بلورية.
6. الحالة الكمومية المكثفة: حالة يقع فيها عدد كبير من الجسيمات في حالة الطاقة الأدنى وتكون بمثابة موجة مجهرية واحدة. في حالة التوصيل الفائق، يتم تكثيف العديد من أزواج الإلكترونات. يتكثف الهيليوم السائل عند تبريده إلى درجة حرارة 2.17 كلفن، مكونًا سائلًا فائقًا عديم اللزوجة.

المرجع: كويشيرو أيناكا، ويوتاكا تاموتو، وماساهيرو يودا، ويوكي يوشيمورا، وتاكاهيرو إيشيكامي، وساتوشي أوكوما، ١٦ مارس ٢٠٢٤، “الحالة الحرجة الكمومية الموسعة في فيلم رقيق فائق التوصيل مضطرب” التواصل الطبيعي.
دوى: 10.1038/s41467-024-46628-7