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

طرق التصنيع تسهل اكتشاف المواد.

• يقوم فريق من جامعة هارفارد بقيادة فيليب كيم بتطوير ابتكارات في الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية باستخدام النحاسات.
• تم تطوير وتطوير أول صمام ثنائي فائق التوصيل في العالم الاحصاء الكمية.
• أظهر التيار الفائق الاتجاهي والتحكم في الحالات الكمومية في PSCCO.

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

أظهر فريق بحث بقيادة أستاذ الفيزياء والفيزياء التطبيقية بجامعة هارفارد، فيليب كيم، استراتيجية جديدة لإنشاء ومعالجة فئة تمت دراستها على نطاق واسع من الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية والتي تسمى النحاسات. مواد.

وباستخدام طريقة فريدة لتصنيع جهاز يعمل بدرجة حرارة منخفضة، كتب كيم وفريقه تقريرهم في المجلة علوم إن المرشح الواعد لأول صمام ثنائي فائق التوصيل وعالي الحرارة في العالم – وهو في الأساس مفتاح يؤدي إلى تدفق التيار في اتجاه واحد – مصنوع من بلورات النحاسات الرقيقة. ومن الناحية النظرية، يمكن لمثل هذا الجهاز أن يغذي صناعات جديدة مثل الحوسبة الكمومية، التي تعتمد على ظواهر ميكانيكية يصعب الحفاظ عليها.

تمثيل رسومي لموصل فائق من النحاسات ذو طبقات ملتوية، مع بيانات خلفية. تصوير: لوسي ييب، يوشي سايتو، أليكس كوي، فرانك تشاو

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

الكوبريتات هي أكاسيد النحاس التي هزت عالم الفيزياء منذ عقود مضت من خلال إظهار أنها فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى مما يعتقده المنظرون، حيث أن كلمة “عالية” هي مصطلح نسبي (السجل الحالي لموصل فائق التوصيل من النحاسيت هو -225). فهرنهايت) ولكن التعامل مع هذه المواد دون تدمير مراحلها فائقة التوصيل أمر معقد للغاية بسبب خصائصها الإلكترونية والهيكلية المعقدة.

تجارب أجراها فريق بقيادة إس.واي. فرانك تشاو، وهو طالب سابق وباحث ما بعد الدكتوراه الآن في كلية غريفين للدراسات العليا في الآداب والعلوم مع. باستخدام المعالجة البلورية المبردة الخالية من الهواء في الأرجون عالي النقاء، صمم تشاو واجهة نظيفة بين طبقتين رقيقتين جدًا من أكسيد نحاس النحاس والكالسيوم والبزموت والسترونتيوم، الملقب بـ BSCCO (“Bisco”). يعتبر BSCCO موصلًا فائقًا “عالي الحرارة” لأنه يبدأ في التوصيل الفائق عند حوالي -288 فهرنهايت – بارد جدًا وفقًا للمعايير العملية، ولكنه مرتفع بشكل مدهش في الموصلات الفائقة، والتي تحتاج عادةً إلى التبريد إلى -400.

قام تشاو أولاً بتقسيم PSCCO إلى طبقتين، يبلغ عرض كل منهما حوالي واحد على الألف من عرض شعرة الإنسان. وبعد ذلك، عند درجة حرارة -130، قام بتكديس طبقتين بزاوية 45 درجة، مع رقائق منحنية مثل شطيرة الآيس كريم، للحفاظ على الموصلية الفائقة في السطح البيني الهش.

وجد الفريق أن الحد الأقصى للتيار الفائق الذي يمكن أن يمر عبر الواجهة دون مقاومة يختلف باختلاف اتجاه التيار. والأهم من ذلك، أظهر الفريق أيضًا تحكمًا إلكترونيًا في الحالة الكمومية للواجهة عن طريق تغيير هذا الاستقطاب. إن هذا التحكم هو الذي سمح لهم فعليًا بإنشاء صمام ثنائي فائق التوصيل وقابل للتحويل وذو درجة حرارة عالية – وهو عرض للفيزياء الأساسية التي يمكن دمجها يومًا ما في قطعة من تكنولوجيا الحوسبة مثل البت الكمومي.

وقال تشاو: “هذه نقطة انطلاق لاستكشاف المراحل الطوبولوجية، حيث تكون الحالات الكمومية محمية من العيوب”.

المرجع: SY Frank Zhao، Xiaomeng Cui، Pavel A. Volkov، Hyobin Yoo، Sangmin Lee، Jules A. Gardener، Austin J. Akey، Rebecca Engelenke، Ruidvalan Ronnke، “تناظر عكس الزمن يكسر الموصلية الفائقة بين الموصلات الفائقة النحاسية الملتوية” تشونغ، جيندا جو، وستيفان بلج، وتارون تومورو، وميونج كيم، ومارسيل فرانز، وجيديديا إتش بيكسلي، ونيكولا بوتشيا، وفيليب كيم، 7 ديسمبر 2023، علوم.
دوى: 10.1126/science.abl8371

عمل فريق هارفارد مع مارسيل فرانز في جامعة كولومبيا البريطانية وجيد بيكسلي في جامعة روتجرز. وتوقع سلوك الموصل الفائق النحاسي في أ مدى واسع زوايا الالتواء. باول أ. من جامعة كونيتيكت. كانت هناك حاجة إلى تطورات نظرية جديدة للتوفيق بين الملاحظات التجريبية التي أدلى بها فولكوف.

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