باحثون يتخطون حدود سرعة الموصلات الفائقة، ويستكشفون ظاهرة تفكك أزواج كوبر

حقق فريق بحثي من معهد ماكس بلانك لعلوم المواد والديناميكا في ألمانيا، ومعهد شنغهاي للأنظمة الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات في الصين، ومعهد زيورخ الفيدرالي للتكنولوجيا في سويسرا، وجامعة أكسفورد في المملكة المتحدة، إنجازًا كبيرًا من خلال تخطي "حدود سرعة" الموصلات الفائقة، في إطار استكشاف ظاهرة تفكك أزواج الإلكترونات المتشابكة (أي أزواج كوبر). تعتبر الموصلات الفائقة مواد قادرة على توصيل الكهرباء بدون مقاومة وإصدار مجال مغناطيسي عند درجات حرارة أقل من مستوى معين. هذه الخصائص الفريدة جعلت من الممكن تحقيق تقنيات مثل مسرعات الجسيمات والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وهو ما كان يبدو كخيال علمي قبل قرن من الزمان.

على الرغم من أننا نجحنا في تحقيق حالة الموصلية الفائقة في مجموعة متنوعة من المواد، إلا أن العلماء يدركون هشاشة هذه الأنظمة. ارتفاع درجة الحرارة أو تغيرات في التيار والمجال المغناطيسي كافية لجعل المادة تفقد حالتها الموصلية الفائقة.

تحديات ظاهرة تفكك الموصلية الفائقة

على الرغم من أن المجالات المغناطيسية والتيارات يمكن قياسها، إلا أن هناك حدًا آخر يصعب قياسه، لأنه قد يتسبب في اضطرابات خلال جزء من مليار من الثانية. هذا هو حد التفكك، حيث يتمزق أزواج الإلكترونات المتشابكة (أي أزواج كوبر)، مما يؤدي إلى فقدان الموصلية الفائقة على الفور. نظرًا لأن الاضطرابات الناتجة عن تجاوز حد التفكك تحدث بسرعة كبيرة، يحتاج العلماء إلى التحقيق بشكل أسرع للكشف عما إذا تم تجاوز هذا الحد. وجد فريق البحث طريقة جديدة، تشبه تخطي حدود السرعة عند تجاوز هذا الحد. تُستخدم الموصلات الفائقة من النوع الثاني في مجموعة متنوعة من التطبيقات، وهي في الواقع تسوية فيزيائية.

على عكس الموصلات الفائقة من النوع الأول التي تتمتع بحدود مغناطيسية هشة، فإن الموصلات الفائقة من النوع الثاني تتمتع بحدود أعلى، وذلك بفضل المجالات المغناطيسية الداخلية (أي الدوامات الكمومية)، مما يسمح للتيار بالتدفق والحفاظ على الموصلية الفائقة حتى في الظروف القاسية.

سلوك الموصلية الفائقة في مواد مختلفة

يمكن للتيارات القوية تمزيق هذه الدوامات الكمومية، مما ينتج عنه مقاومة داخل المادة، وبالتالي إنهاء حالتها الموصلية الفائقة. لذلك، قرر فريق البحث استخدام هذه المعلومات لفهم حد التفكك بشكل أفضل. استخدم الفريق نوعين مختلفين من المواد الموصلية الفائقة، نيتريد التنتالوم (NbN) وعضو من عائلة أكسيد الباريوم والنحاس (YBCO)، وكلاهما يظهر موصلية فائقة عند درجات حرارة مرتفعة. يتمتع NbN بتماثل فجوة طاقة من نوع s-wave، بينما يتمتع YBCO بتماثل فجوة طاقة من نوع d-wave، مما يحدد مدى سهولة تمزيق موصلية كل منهما.

لتجاوز العمليات الكمومية التي تحدث خلال جزء من مليار من الثانية، أنشأ الفريق دائرة ضوئية كهربائية بسرعات تتجاوز عدة أضعاف سرعة حركة الدوامات الكمومية التي تصل إلى عشرات الكيلومترات في الثانية. اكتشف الباحثون أن NbN يحتفظ بحالته الموصلية الفائقة قبل أن يصل التيار المطبق إلى الحد الحرج، ثم يفقد الموصلية بشكل مفاجئ. من ناحية أخرى، يفقد مادة YBCO الموصلية بشكل تدريجي. نسب الفريق هذا الاختلاف إلى تماثل فجوة الطاقة في المادتين، حيث تكون فجوة الطاقة في NbN متساوية في جميع الاتجاهات، بينما تتغير فجوة الطاقة في مادة YBCO بشكل ملحوظ، مما يجعل من المستحيل إطفاؤها دفعة واحدة.

أدى الاختلاف في سلوك هذين المادتين إلى فهم جذري لدى الباحثين حول الموصلية الفائقة، والتي تتلخص في أزواج كوبر واستقرارها. إن تجاوز حدود سرعة المواد الموصلية الفائقة يمكّن الباحثين من دراسة هذه الخصائص بطرق جديدة في المستقبل. تم نشر النتائج البحثية في مجلة Nature Physics.

اتجاهات جديدة في أبحاث الموصلات الفائقة

تقدم فريق البحث في مجال الموصلات الفائقة، ليس فقط من خلال الكشف عن هشاشة أزواج الإلكترونات المتشابكة، ولكن أيضًا من خلال توفير رؤى جديدة لأبحاث المواد الموصلية الفائقة في المستقبل. إن الاضطرابات السريعة الناتجة عن ظاهرة تفكك الموصلية تجعل استقرار المواد أمرًا حاسمًا، وهو ما يعد ضروريًا لتطوير التطبيقات العملية مثل مسرعات الجسيمات والأجهزة الطبية. من خلال دراسة متعمقة لمواد مختلفة، يمكن للعلماء فهم خصائص الموصلية الفائقة بشكل أفضل، مما يعزز الابتكار والتطبيقات ذات الصلة.