تم كسر “حد السرعة” الرئيسي للموصلات الفائقة للتو

تمنحنا الموصلات الفائقة تقنيات تستحق الخيال العلمي مثل القطارات المعلقة، ومصادمات الجسيمات التي تنسخ الانفجار الكبير، والآلات الطبية التي تكشف أسرارنا العميقة ــ ولحسن الحظ، تكشف الأسرار الفسيولوجية فقط، وليس الحب السري لرقصة البولكا. لكن حالات الموصلية الفائقة هشة. يجب تبريد المواد إلى درجات حرارة منخفضة جدًا، تقترب من البرود المظلم للفضاء الخارجي، لتوصيل الكهرباء دون مقاومة وفقدان الطاقة لاحقًا. يمكن لقوة التيار الكهربائي والمجالات المغناطيسية الخارجية أيضًا أن تخرج هذه المواد من حالات التوصيل الفائق الخاصة بها، كما يمكن لشارب قطة فضولية أو عطسة خاطئة أن تهدم سلسلة محفوفة بالمخاطر من قطع الدومينو. ومع ذلك، هناك حد أعلى يصعب قياسه عبر الوسائل التقليدية، مثل النقل بالتيار المباشر (DC)، لأنه يتم استباقه من خلال الاضطرابات الكمومية التي تحدث في أجزاء من المليار من الثانية فقط. هذا هو حد التدهور، حيث يتم تمزيق أزواج الإلكترونات المتشابكة، التي تسمى أزواج كوبر، والتي تنتج الموصلية الفائقة. أزواج كوبر هي أساس المواد فائقة التوصيل. عندما تتشابك، يمكنها التدفق بسلاسة عبر المواد دون عوائق. (Jörg Harms/Eryin Wang/MPSD) ولكن في دراسة متقدمة نُشرت في مجلة Nature Physics ، حطم الباحثون “حد السرعة” للموصل الفائق لاستكشاف هذا التدهور، متجاوزين العمليات الكمومية التخريبية مثل متسابق الفورمولا 1 الذي يقترب من طراز T بعجلة متزعزعة. على عكس الموصلات الفائقة من النوع الأول، والتي عادة ما تكون معادن نقية وليست مفيدة من الناحية التكنولوجية بسبب حدودها المغناطيسية الهشة بشكل خاص، فإن الموصلات الفائقة من النوع الثاني تشتمل على حل وسط فيزيائي: فهي تحتوي على عتبات مغناطيسية أعلى لأنها تسمح للمجالات المغناطيسية الداخلية بالانتشار كأعاصير صغيرة من الكهرباء، تسمى الدوامات الكمومية، مما يبقيها في حالة فائقة التوصيل في ظروف أكثر تطرفًا. ومع ذلك، عندما يصبح التيار الكهربائي الذي يمر عبر مادة من النوع الثاني قويًا جدًا، فإنه يثير الأعاصير الصغيرة، مما يجعلها تتحرك، مما يولد مقاومة وحرارة توقف الموصلية الفائقة. من المثير للدهشة أن الدوامات الكمومية هي أشياء يمكننا رؤيتها، وفقًا لهذه الدوامات في مادة من عائلة YBCO. (Frederick S. Wells/Alexey V. Pan/X. Renshaw Wang/Sergey A. Fedoseev/Hans Hilgenkamp/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0) “كانت استراتيجيتنا هي تجاوز ديناميكيات الدوامة”، هذا ما تصوره المؤلف الرئيسي إيرين وانغ، الفيزيائي في معهد ماكس بلانك لبنية وديناميكيات المادة (MPSD) في هامبورغ، ألمانيا. قارن الباحثون مادتين فائقتي التوصيل، بما في ذلك نيتريد النيوبيوم (NbN) وعضو في عائلة أكسيد نحاس الإيتريوم (YBCO) من الموصلات الفائقة التي تظهر “موصلية فائقة في درجات الحرارة العالية”. لقد اختاروا هذه المواد لأن الأولى لديها تماثل فجوة الموجة s ، والأخيرة لديها تماثل فجوة الموجة d. تحدد هذه الخاصية مدى سهولة تمزيق إلكتروناتها المقترنة وبالتالي إخراجها من حالاتها فائقة التوصيل. ولكن كيف يمكن للمرء أن يتفوق على العمليات الكمومية الموجودة في حدود الفيزياء؟ من خلال تطوير دائرة كهربائية ضوئية تتجاوز سرعة الدوامات – التي تعمل بسرعة عشرات الكيلومترات في الثانية – بمستويات متعددة من الأس. أطلق هذا الإعداد نبضات ليزر فائقة السرعة من الضوء الأخضر تدوم 300 فمتوثانية فقط، أو كوادريليون جزء من الثانية، عند مفتاح يحول نبض الليزر البصري إلى نبض تيار كهربائي يستمر بيكو ثانية، أو تريليون جزء من الثانية (بطء نسبي بالمقارنة). الإعداد التجريبي المستخدم في هذا العمل. (وانغ وآخرون، Nat. Phys.، 2026) وهذا أسرع بكثير مما يمكن أن تسببه ديناميكيات الدوامة من مقاومة وحرارة وفقدان الموصلية الفائقة. بمعنى آخر، موقف السلحفاة الكمومية والأرنب الكمي حقيقي، ولكن الوضع الذي يكون فيه الأرنب بعيدًا عن نقطة البداية بينما لا تزال السلحفاة تتناول وجبة الإفطار (ربما كان الثعلب الذي يحكم المسابقة قد وضع خلسة بضع بيضات للتغاضي عن هذا “التناقض”). يوضح أندريا كافاليري، قائد مجموعة ديناميكيات المادة المكثفة في MPSD: “تشير نتائجنا إلى أن نقل البيكو ثانية يمكن أن يوفر الوصول إلى الخصائص المجهرية للموصلات الفائقة، بما في ذلك تماثل الفجوة، والتي لا تتوفر مباشرة من النقل التقليدي بالتيار المستمر”. على وجه التحديد، احتفظ NbN بحالته فائقة التوصيل حتى وصل التيار الكهربائي المطبق إلى عتبة محددة جيدًا، كما لاحظ الباحثون، وهو أعلى بكثير من خرج التيار المباشر التقليدي لأنه قصير المدة. عند هذه النقطة، انهارت أزواج كوبر الخاصة بها وتوقفت الموصلية الفائقة فجأة. من ناحية أخرى، أظهرت مادة YBCO ضعفًا تدريجيًا في حالتها فائقة التوصيل. ينشأ هذا الاختلاف بسبب تماثلات الفجوة المختلفة. تحتوي الموجة s من NbN على فجوة طاقة (الطاقة اللازمة لفصل أزواج كوبر) وهي نفسها في جميع اتجاهات مساحة الزخم. لكن في YBCO ، تختلف فجوة الطاقة بشكل كبير، بل وتختفي في اتجاهات معينة من مساحة الزخم. وبعبارة أخرى، فإن الأول يراهن بكل شيء على يد بوكر واحدة، في حين أن الآخر قد يفضل خسارة أمواله بشكل أبطأ. وهكذا وصل الباحثون إلى الجذر الأساسي للتوصيل الفائق، وهو استقرار أزواج كوبر في المادة، ومفهوم الكم الأساسي الذي تظهر منه تأثيرات أخرى. يقدم “النهج الجديد” المعروض هنا إطارًا لاختبار الخصائص الرئيسية للمواد فائقة التوصيل، وبالتالي فإن “اطلاق” مجموعة أكبر من الموصلات الفائقة يمكن أن يكشف عن خصائص مثل تماثلات الفجوة وكيفية تفاعل المواد على جداولها الزمنية الأساسية. كما لخص جيانكياو منغ، أستاذ الفيزياء في جامعة سنترال ساوث، والذي لم يشارك في هذا العمل، في بعض الأحيان يكون السباق سريعًا: “يسلط هذا العمل الضوء على إمكانات نبضات التيار فائقة السرعة كأداة جديدة قوية للوصول إلى خصائص الموصلية الفائقة الجوهرية.” تم نشر البحث في Nature Physics. تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة فيونا ماكدونالد وحررت بواسطة فيونا ماكدونالد. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأ، يرجى إعلامنا بذلك.