في تطور مهم في مجال الموصلية الفائقة، نجح الباحثون في جامعة مانشستر في تحقيق موصلية فائقة قوية في المجالات المغناطيسية العالية باستخدام نظام أحادي البعد (1D) تم إنشاؤه حديثًا. يقدم هذا الإنجاز طريقًا واعدًا لتحقيق الموصلية الفائقة في نظام هول الكمي، وهو تحدٍ طويل الأمد في فيزياء المادة المكثفة.
الموصلية الفائقة، وهي قدرة بعض المواد على توصيل الكهرباء دون أي مقاومة، تحمل إمكانات عميقة لتقدم تقنيات الكم. ومع ذلك، فإن تحقيق الموصلية الفائقة في نظام هول الكمي، الذي يتميز بالتوصيل الكهربائي الكمي، أثبت أنه يمثل تحديًا كبيرًا.
البحث نُشر هذا الأسبوع (25 أبريل 2024) في الطبيعة، تفاصيل العمل المكثف الذي قام به فريق مانشستر بقيادة البروفيسور أندريه جيم والدكتور جوليان باريير والدكتور نا شين لتحقيق الموصلية الفائقة في نظام هول الكمي. اتبعت جهودهم الأولية المسار التقليدي حيث تم وضع حالات حافة الانتشار المضاد على مقربة من بعضها البعض. ومع ذلك، ثبت أن هذا النهج محدود.
"كانت تجاربنا الأولية مدفوعة في المقام الأول بالاهتمام القوي والمستمر بالموصلية الفائقة القريبة المستحثة على طول حالات حافة هول الكمومية"، يوضح الدكتور باريير، المؤلف الرئيسي للدراسة. "لقد أدى هذا الاحتمال إلى العديد من التنبؤات النظرية فيما يتعلق بظهور جسيمات جديدة تعرف باسم الأنيونات غير الأبيلية."
استكشف الفريق بعد ذلك استراتيجية جديدة مستوحاة من عملهم السابق الذي يوضح أن الحدود بين المجالات في الجرافين يمكن أن تكون موصلة للغاية. ومن خلال وضع جدران المجال هذه بين اثنين من الموصلات الفائقة، فقد حققوا القرب النهائي المطلوب بين حالات حافة الانتشار المضاد مع تقليل تأثيرات الاضطراب.
يتذكر الدكتور باريير قائلاً: "لقد شجعنا على ملاحظة التيارات الفائقة الكبيرة عند درجات حرارة معتدلة نسبيًا تصل إلى 1 كلفن في كل جهاز قمنا بتصنيعه".
كشفت المزيد من التحقيقات أن الموصلية الفائقة القريبة لم تنشأ من حالات حافة القاع الكمومية المنتشرة على طول جدران المجال، بل من الحالات الإلكترونية أحادية الأبعاد الموجودة داخل جدران المجال نفسها.
أظهرت هذه الحالات أحادية الأبعاد، والتي ثبت وجودها من قبل المجموعة النظرية للبروفيسور فلاديمير فالكو في معهد الجرافين الوطني، قدرة أكبر على التهجين مع الموصلية الفائقة مقارنة بحالات حافة هول الكمومية. يُعتقد أن الطبيعة المتأصلة أحادية البعد للحالات الداخلية هي المسؤولة عن التيارات الفائقة القوية المرصودة في المجالات المغناطيسية العالية.
يُظهر هذا الاكتشاف للموصلية الفائقة أحادية الوضع طرقًا مثيرة لمزيد من البحث. يوضح الدكتور باريير: «في أجهزتنا، تنتشر الإلكترونات في اتجاهين متعاكسين داخل نفس الفضاء النانوي ودون تشتت». "إن مثل هذه الأنظمة أحادية الأبعاد نادرة للغاية وتبشر بمعالجة مجموعة واسعة من المشكلات في الفيزياء الأساسية."
لقد أثبت الفريق بالفعل القدرة على التعامل مع هذه الحالات الإلكترونية باستخدام جهد البوابة ومراقبة موجات الإلكترون الدائمة التي تعدل خصائص التوصيل الفائق.
"إنه لأمر رائع أن نفكر في ما يمكن أن يجلبه لنا هذا النظام الجديد في المستقبل. وتمثل الموصلية الفائقة أحادية الأبعاد طريقًا بديلاً نحو تحقيق أشباه الجسيمات الطوبولوجية التي تجمع بين تأثير هول الكمي والموصلية الفائقة.» "هذا مجرد مثال واحد على الإمكانات الهائلة التي تحملها النتائج التي توصلنا إليها."
يمثل هذا البحث الذي أجرته جامعة مانشستر، بعد 20 عامًا من ظهور أول مادة الجرافين ثنائية الأبعاد، خطوة أخرى إلى الأمام في مجال الموصلية الفائقة. ومن المتوقع أن يفتح تطوير هذا الموصل الفائق 2D الجديد الأبواب أمام التقدم في تقنيات الكم ويمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف في فيزياء جديدة، مما يجذب اهتمام مختلف المجتمعات العلمية.