“الموت المفاجئ” للتقلبات الكمومية يتحدى النظريات الحالية للموصلية الفائقة

اكتشف فيزيائيون من جامعة برينستون تغيرًا مفاجئًا في السلوك الكمي أثناء اختبار عازل سمكه ثلاث ذرات يمكن تحويله بسهولة إلى موصل فائق.

يعد البحث بتعزيز فهمنا لفيزياء الكم في المواد الصلبة بشكل عام وأخذ دراسة فيزياء المادة المكثفة الكمومية والموصلية الفائقة في اتجاهات جديدة. ال نتائج نشرت في المجلة الفيزياء الطبيعية في ورقة بحثية بعنوان “الحرجية الكمومية فائقة التوصيل غير التقليدية في أحادي الطبقة WTe”₂“.

وجد الباحثون بقيادة سانفنغ وو، الأستاذ المساعد للفيزياء في جامعة برينستون، أن التوقف المفاجئ (أو “الموت”) لتقلبات ميكانيكا الكم يكشف عن سلسلة من السلوكيات والخصائص الكمومية الفريدة التي تظهر خارج حدود النظريات الراسخة. .

التقلبات هي تغيرات عشوائية مؤقتة في الحالة الديناميكية الحرارية للمادة التي تكون على وشك التحول الطوري. من الأمثلة المعروفة على تغير الطور هو ذوبان الجليد في الماء. درست تجربة برينستون التقلبات في الموصل الفائق عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق.

وقال وو: “ما وجدناه من خلال المراقبة المباشرة للتقلبات الكمومية بالقرب من التحول هو دليل واضح على انتقال طور كمي جديد لا يخضع للتفسيرات النظرية القياسية المعروفة في هذا المجال”. “بمجرد أن نفهم هذه الظاهرة، نعتقد أن هناك احتمالا حقيقيا لظهور نظرية جديدة ومثيرة.”

المراحل الكمومية والموصلية الفائقة

في العالم المادي، تحدث تغيرات الطور عندما تتغير مادة، مثل السائل أو الغاز أو المادة الصلبة، من حالة أو شكل إلى آخر. لكن التحولات الطورية تحدث أيضًا على المستوى الكمي. تحدث هذه عند درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) وتتضمن ضبطًا مستمرًا لبعض العوامل الخارجية مثل الضغط أو المجال المغناطيسي دون رفع درجة الحرارة.

يهتم الباحثون بشكل خاص بكيفية حدوث تحولات الطور الكمي في الموصلات الفائقة التي توصل الكهرباء دون مقاومة. يمكن للموصلات الفائقة تسريع عملية معالجة المعلومات وتشكل أساس المغناطيسات القوية المستخدمة في الرعاية الصحية والنقل.

وقال وو: “إن كيفية تحويل مرحلة من الموصلية الفائقة إلى أخرى هو مجال مثير للاهتمام للدراسة”. “لقد كنا مهتمين بهذه المشكلة في المواد الرقيقة والنظيفة وأحادية البلورة لبعض الوقت.”

تحدث الموصلية الفائقة عندما تتجمع الإلكترونات وتتدفق بشكل موحد دون مقاومة ودون تبديد الطاقة. في العادة، تنتقل الإلكترونات بطريقة متقطعة عبر الدوائر والأسلاك، وفي النهاية تهز بعضها البعض بطريقة غير فعالة ومضيعة للطاقة. لكن في حالة التوصيل الفائق، تعمل الإلكترونات معًا بطريقة فعالة من حيث الطاقة.

عُرفت الموصلية الفائقة منذ عام 1911، على الرغم من أن كيفية عملها وسبب عملها ظلت لغزًا حتى عام 1956، عندما بدأت ميكانيكا الكم في تسليط الضوء على هذه الظاهرة. ولكن في العقد الماضي فقط تمت دراسة الموصلية الفائقة في مواد نظيفة ورقيقة ذريًا وثنائية الأبعاد. في الواقع، كان يُعتقد منذ فترة طويلة أن الموصلية الفائقة مستحيلة في العالم ثنائي الأبعاد.

قال ن. بوان أونج، أستاذ الفيزياء في جامعة برينستون ومؤلف الورقة البحثية: “حدث هذا لأنه عندما تذهب إلى أبعاد أقل، تصبح التقلبات قوية جدًا لدرجة أنها تقتل إمكانية الموصلية الفائقة”.

الطريقة الرئيسية التي تدمر بها التقلبات الموصلية الفائقة ثنائية الأبعاد هي من خلال التعبير التلقائي الذي يسمى السبينات الكمومية (الجمع: السبينات).

يشبه كل ملف ملفًا صغيرًا يتكون من خيط رفيع من المجال المغناطيسي محصور داخل تيار إلكتروني دوار. عندما يتم رفع العينة فوق درجة حرارة معينة، تظهر الدوامات تلقائيًا في أزواج: الدوامات والدوامات المضادة. حركتهم السريعة تدمر حالة التوصيل الفائق.

قال أونج: “الدوامة تشبه الدوامة”. “إنها نسخ كمومية من الدوامة التي تم العثور عليها وهي تستنزف حوض الاستحمام.”

يعرف الفيزيائيون الآن أن الموصلية الفائقة في الأغشية فائقة الرقة تحدث تحت درجة حرارة حرجة معينة تُعرف باسم انتقال BKT، وهي مادة مكثفة سُميت على اسم الفيزيائيين فاديم بيرزينسكي، وجون كوسترليتز، وديفيد ثوليس. وتقاسم الأخيران جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016 مع عالم الفيزياء برينستون ف. دنكان هالدين، أستاذ الفيزياء بجامعة شيرمان فيرتشايلد.

يُنظر إلى نظرية BKT على نطاق واسع على أنها تفسير ناجح لكيفية تكاثر السبينات الكمومية وتدمير الموصلية الفائقة في الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد. تنطبق النظرية عندما يتم إحداث انتقال فائق التوصيل عن طريق تسخين العينة.

الاختبار الحالي

تعد مسألة كيفية تدمير الموصلية الفائقة ثنائية الأبعاد دون رفع درجة الحرارة مجالًا نشطًا للبحث في مجالات الموصلية الفائقة وانتقالات الطور. عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تحدث التحولات الكمومية عن طريق التقلبات الكمومية. في هذا السيناريو، يختلف التغيير عن تغيير BKT الناتج عن درجة الحرارة.

استخدم الباحثون ديتيلورايد التنغستن (WTe₂) ، والتي تصنف على أنها شبه معدنية الطبقات. بدأ الباحثون بتحويل ثنائي تيلورايد التنغستن إلى مادة ثنائية الأبعاد عن طريق تقشير المادة تدريجيًا إلى طبقة رقيقة من الذرة.

في هذه الحالة الهزيلة، تعمل المادة كعازل قوي جدًا، مما يعني أن إلكتروناتها لديها قدرة محدودة على الحركة وبالتالي لا يمكنها توصيل الكهرباء. ومن المثير للدهشة أن الباحثين وجدوا أن المادة تظهر العديد من السلوكيات الكمومية الجديدة، مثل التبديل بين الطور العازل والموصل الفائق. لقد كانوا قادرين على التحكم في سلوك التبديل هذا عن طريق إنشاء جهاز يعمل كمفتاح “تشغيل وإيقاف”.

ولكن هذه ليست سوى الخطوة الأولى. بعد ذلك، قام الباحثون بإخضاعهم لحالتين حرجتين. أول شيء فعلوه هو تبريد ثنائيتيلورايد التنغستن إلى درجة حرارة منخفضة بشكل استثنائي، حوالي 50 ملي كلفن (Mk).

خمسون ملي كلفن هي -273.10 درجة مئوية (أو -459.58 درجة فهرنهايت)، وهي درجة حرارة منخفضة بشكل لا يصدق حيث تهيمن تأثيرات ميكانيكا الكم.

ثم قام الباحثون بتحويل المادة من عازل إلى موصل فائق عن طريق إدخال عدد قليل من الإلكترونات الإضافية. لا يتطلب الأمر الكثير من الجهد للوصول إلى حالة التوصيل الفائق. وقال تيانشينغ تشانغ، باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء والمؤلف الرئيسي للدراسة: “يمكن لكمية صغيرة من جهد البوابة أن تحول المادة من عازل إلى موصل فائق”. “إنه حقًا تأثير رائع.”

ووجد الباحثون أنه يمكن التحكم بدقة في خصائص الموصلية الفائقة عن طريق ضبط كثافة الإلكترونات في المادة عبر جهد البوابة. عند كثافة الإلكترون الحرجة، تتكاثر السبينات الكمومية بسرعة، مما يؤدي إلى تدمير الموصلية الفائقة وتحفيز انتقال الطور الكمومي.

وللكشف عن وجود هذه السبينات الكمومية، أنشأ الباحثون تدرجًا صغيرًا في درجة الحرارة في العينة، مما يجعل أحد جانبي ثنائيتيلورايد التنغستن أكثر سخونة قليلاً من الجانب الآخر. وقال أونج: “تبحث الدوامات عن حافة أكثر برودة”. “في التدرج الحراري، تنتقل جميع الدوامات الموجودة في العينة إلى المنطقة الأكثر برودة، لذا فإن ما قمت بإنشائه هو نهر من الدوامات يتدفق من المنطقة الأكثر دفئًا إلى المنطقة الأكثر برودة.”

ينتج عن تدفق السبينات إشارة جهد قابلة للاكتشاف في الموصل الفائق. ويرجع ذلك إلى تأثير سمي على اسم الفيزيائي برايان جوزيفسون الحائز على جائزة نوبل، والذي تتنبأ نظريته أنه عندما يتقاطع خط مرسوم بين موصلين كهربائيين، فإنهما يخلقان جهدًا متقاطعًا ضعيفًا، والذي يتم اكتشافه بواسطة النانو فولت. متر.

وقال أونج: “يمكننا التحقق من أن هذا هو تأثير جوزيفسون؛ إذا قمت بتغيير المجال المغناطيسي، فإن الجهد المكتشف ينعكس”.

وقال وو: “هذا توقيع محدد للغاية لتيار الدوامة”. “يوفر الاكتشاف المباشر لهذه السبينات المتحركة أداة تجريبية لقياس التقلبات الكمومية في العينة التي قد يكون من الصعب تحقيقها لولا ذلك.”

الظواهر الكمومية المدهشة

وعندما تمكن الباحثون من قياس هذه التقلبات الكمومية، اكتشفوا تسلسلاً غير متوقع من الأحداث. المفاجأة الأولى هي القوة الرائعة للدوامات. وأظهرت التجربة أن هذه الدوامات استمرت في درجات حرارة ومجالات مغناطيسية أعلى من المتوقع. فهي تبقى على قيد الحياة في مرحلة المقاومة للمادة، عند درجات حرارة ومجالات أعلى من مرحلة الموصلية الفائقة.

وكانت المفاجأة الكبرى الثانية هي أن إشارة الدوران اختفت فجأة عندما تم ضبط كثافة الإلكترون تحت القيمة الحرجة التي يحدث عندها انتقال الطور الكمي لحالة الموصلية الفائقة. عند هذه القيمة الحرجة لكثافة الإلكترون، والتي يسميها الباحثون النقطة الحرجة الكمومية (QCP)، والتي تمثل نقطة عند درجة حرارة الصفر على مخطط الطور، فإن التقلبات الكمومية تدفع انتقال الطور.

وقال وو: “مثل التقلبات القوية التي شوهدت فوق درجة حرارة التحول PKT، نتوقع أن تستمر التقلبات القوية تحت كثافة الإلكترون الحرجة على الجانب غير فائق التوصيل”.

“ومع ذلك، وجدنا أن إشارات الدوران تختفي فجأة في اللحظة التي يتم فيها تجاوز كثافة الإلكترون الحرجة. وكانت هذه صدمة. لا يمكننا تفسير “الموت المفاجئ” للتقلبات – في هذه الملاحظة.”

وأضاف أونج: “بعبارة أخرى، اكتشفنا نوعًا جديدًا من النقاط الحرجة الكمومية، لكننا لا نفهمها”.

في مجال فيزياء المادة المكثفة، هناك نظريتان راسختان تشرحان التحولات الطورية للموصل الفائق، نظرية جينسبيرغ-لانداو ونظرية BKT. ومع ذلك، وجد الباحثون أن هاتين النظريتين لم تفسرا الظواهر المرصودة.

وقال وو: “نحن بحاجة إلى نظرية جديدة لوصف ما يحدث في هذه الحالة، وهذا شيء نأمل في معالجته نظريا وتجريبيا في العمل المستقبلي”.