علماء الفيزياء يعثرون على موصل فائق “يكسر” تماثل الزمن – وهو الأول من نوعه

في ظل ظروف معينة – مثل درجات حرارة هشاشة العظام الأقل من تلك الموجودة في الفضاء السحيق – يمكن للموصلات الفائقة توصيل الكهرباء دون مقاومة وما ينتج عن ذلك من فقدان للطاقة. على الرغم من أنها تختلف في تركيبها الكيميائي، ونطاقات درجة الحرارة التشغيلية، والخواص المغناطيسية، إلا أن الموصلات الفائقة تأتي في مجموعتين. أولاً، تختلف الموصلات الفائقة التقليدية وغير التقليدية في كيفية تشابك إلكتروناتها في أزواج مترادفة تسمى أزواج كوبر، وهي حالة تقاسم الهوية التي تسمح لها بالانزلاق برشاقة عبر الخليط الذري لموادها لتسهيل التدفق الكهربائي دون انقطاع. ثانيًا، تستجيب الموصلات الفائقة من النوع الأول والنوع الثاني بشكل مختلف للمجالات المغناطيسية، مع أنواع مختلفة من العتبات التي تتوقف عندها فجأة عن العمل كموصلات فائقة وتبدأ في التصرف مثل الموصلات العادية. تعتبر الأصناف غير التقليدية والنوع الثاني أكثر غرابة بشكل عام؛ سيارات لامبورغيني في مجالها، تتخطى الحدود المادية لأنها تتطلب هندسة مخصصة. وقد تكون أيضًا أكثر ملاءمة لاستخدامها في تقنيات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، مثلما كانت سيارات لامبورجيني في السابق عبارة عن جرارات. ولكن ربما لم تعد كذلك. لأنه ولأول مرة، ابتكر الفيزيائيون مادة فائقة التوصيل من النوع الأول يمكنها على ما يبدو كسر التناظر الرياضي للزمن، وهي السمة المميزة للموصلات الفائقة غير التقليدية من النوع الثاني. يُعرف هذا باسم التناظر العكسي للزمن، ويتضمن ملاحظة غريبة مفادها أن معظم قوانين الفيزياء تعمل بشكل جيد سواء كان الوقت يتدفق رياضيًا للأمام أو للخلف. في دراسة نُشرت مؤخرًا في Physical Review Letters ، قام فريق دولي من الفيزيائيين بقيادة المعهد الهندي لتعليم وأبحاث العلوم (IISER) بوبال بتحليل ووصف الخصائص الكهربائية والكمية الفريدة لهذه المادة، مما يشير إلى أنها قد تؤدي في النهاية إلى تحسين تصميمات الحوسبة الكمومية. قام الباحثون بتخليق بلورات مفردة من مادة تُسمى ytterbium diantimonide (YbSb2) واستخدموا الأشعة السينية لتحديد نقائها الكيميائي وبنيتها البلورية المعقدة، وهو هيكل شائع في الموصلات الفائقة التقليدية وغير التقليدية لأنه يسمح بظهور السلوكيات الكمومية. ملخص رسومي لهذا العمل. في المنتصف، تمثل الكرات الزرقاء عنصر الإيتربيوم (Yb) وتمثل الكرات البرونزية الأنتيمون (Sb). (IISER Bhopal) لقد قرروا أن مقاومتها الكهربائية انخفضت إلى الصفر وأصبحت فجأة فائقة التوصيل عند درجة حرارة حوالي -272 درجة مئوية (-457.6 درجة فهرنهايت)، وهي مجرد نقطة صغيرة فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية). إلى جانب قياسات الحرارة المحددة لكيفية استجابة إلكتروناتها للحرارة، أكد الباحثون أن مادتهم أظهرت خصائص التوصيل الفائق من النوع الأول. ساعد هذا الإجراء أيضًا في تأكيد حالته “الفجوة الكاملة“، مما يعني أنه يتميز بحاجز طاقة يجعل من الصعب فصل إلكتروناته المقترنة، وبالتالي إخراجه من حالة التوصيل الفائق. استخدم الباحثون أيضًا نوعين من التحليل الطيفي لدوران الميون، وهي تقنية فحص كمي تكشف عن المجالات المغناطيسية داخل المادة عن طريق تسليطها بالميونات، أو الجسيمات دون الذرية الأساسية التي تعمل مثل المغناطيس الصغير. عندما فعلوا ذلك دون تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، كشفوا أنه بمجرد دخول المادة إلى مرحلة التوصيل الفائق، ظهرت مجالات مغناطيسية داخلية صغيرة تلقائيًا داخلها. (مختبر أوك ريدج الوطني) قدم هذا الدليل الرئيسي على أن YbSb2 يمكن أن يكسر التناظر العكسي للزمن، حيث أن المجالات المغناطيسية تعكس اتجاهها عندما يتم عكس الوقت رياضيًا – إذا لم تفعل ذلك، فإنها ستحافظ على خاصية الزمن الغريبة هذه، بدلاً من كسرها. وفي نسخة أخرى من تقنية الفحص الكمي هذه، طبق الباحثون مجالات مغناطيسية خارجية أثناء إشعاع المادة بالميونات. بالإضافة إلى ذلك، عندما تكون الإلكترونات في حالة التوصيل الفائق بكميات كبيرة، لا تقترن الإلكترونات في YbSb2 بطريقة تقليدية. بدلاً من ذلك، فإنهم يجتمعون معًا في “ثنائي مغزلي ثلاثي” غير تقليدي، وهو زوج كوبر ولكنه يُسمى ثلاثي بسبب التركيبات المحتملة لسبينات الإلكترونات. والأهم من ذلك، يُطلق على هذا اسم “حالة ثلاثية غير وحدوية غير متماثلة داخليًا (INT)”، لذا فهي تعرض عزمًا مغناطيسيًا صافيًا – لا تلغي قواها المغناطيسية. يسمح هذا الاقتران لـ YbSb2 بكسر تناظر انعكاس الزمن من تلقاء نفسه، دون الحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي للقيام بذلك. لمعرفة كيفية تشكل التوائم الثلاثية، قام الباحثون بتصميم مادتهم بناءً على الصفات الفيزيائية الأساسية، وكشفوا أن كل إلكترون من الإلكترونات المقترنة يأتي من مدارات طاقة مختلفة. ونتيجة لذلك، فإن خصائصه المجمعة قد تجعل YbSb2 قادرًا على استضافة “أوضاع سطح Majorana الخالية من الفجوات”، وهي ليست لعبة Zelda الأكثر مبيعًا. وهذا يعني أنه في درجات الحرارة المنخفضة، بينما يعمل الجزء الأكبر منه كموصل فائق تتدفق من خلاله الإلكترونات دون عوائق، قد يظهر سطحه أنماط ماجورانا، أو الإثارة الكمومية التي تعمل كجسيمات مضادة خاصة بها. (ربما يمكن مقارنتها بالكرمة الحمراء اللذيذة، التي تنقل الهواء من خلال كتلتها والسكر من خلال حوافها). وقد يمثل هذا أكثر من مجرد اختراق نظري. قد تكون مثل هذه “المواد الكمومية الطوبولوجية” أكثر قدرة على حماية المعلومات الكمومية عن طريق جعلها أقل عرضة للظروف الخارجية مثل الحرارة أو الضوضاء الكهرومغناطيسية – مصادر التداخل التي تخرج الأنظمة الكمومية من حالاتها المتشابكة (وبالتالي المفيدة) وتحيلها إلى القدرات الحاسوبية لأجهزة الكمبيوتر العادية. تم نشر البحث في Physical Review Letters. 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.