عاجل | هذه “الرقصة” الكمومية الغريبة يمكن أن تعيد كتابة الموصلية الفائقة

كشف العلماء للتو عن "رقصة" كمومية خفية يمكن أن تعيد تشكيل الموصلية الفائقة.

لأول مرة، تصور العلماء بشكل مباشر العملية الكمومية وراء الموصلية الفائقة، وهي ظاهرة تقترن فيها الإلكترونات وتسمح للكهرباء بالتدفق دون أي مقاومة عند درجات حرارة منخفضة للغاية.

ولم تكن النتيجة كما توقعها الباحثون.

في دراسة نشرت في 15 أبريل رسائل المراجعة البدنيةالتقط العلماء صورًا لذرات فردية تشكل أزواجًا داخل غاز مُجهز خصيصًا يتم تبريده بالقرب من الصفر المطلق - الحد الذي لا يمكن الوصول إليه لمدى برودة الأشياء. يسمح هذا النظام، المعروف باسم غاز فيرمي، للباحثين باستبدال الإلكترونات بالذرات وفحص سلوك التوصيل الفائق في بيئة خاضعة للتحكم.

سلوك غير متوقع في الذرات المقترنة

وبعد تكوين أزواج، لم تتصرف الذرات كما هو متوقع. بدلًا من التصرف بشكل مستقل، تحركت الأزواج في نمط منسق، مع تأثر موقع كل زوج بالأزواج القريبة، وهو أمر لم تتنبأ به نظرية الموصلية الفائقة الحائزة على جائزة نوبل منذ 70 عامًا.

يقول قائد البحث التجريبي طارق يفساه من مختبر كاستلر بروسيل في المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS) في باريس: "أظهرت تجربتنا أن هناك شيئًا ما مفقودًا نوعيًا في هذه النظرية". تعاون يفساه وغيره من الفيزيائيين التجريبيين في المركز الوطني للبحوث العلمية في الدراسة الجديدة مع فيزيائيين نظريين، بما في ذلك شيوي تشانغ من معهد فلاتيرون التابع لمؤسسة سيمونز.

يضيف هذا الاكتشاف تفاصيل أساسية لفهم العلماء للموصلية الفائقة وقد يساعد في توجيه الجهود المبذولة لتطوير موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة، وهو هدف رئيسي يمكن أن يؤدي إلى أنظمة طاقة وأجهزة إلكترونية أكثر كفاءة بكثير.

كيف تقضي الموصلات الفائقة على المقاومة

تحدث الموصلية الفائقة عادة في بعض المعادن عندما يتم تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، وهي أقل بكثير من أي شيء موجود بشكل طبيعي على الأرض. بمجرد انخفاض المادة إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة، تختفي المقاومة الكهربائية. يحدث هذا لأن الإلكترونات تشكل أزواجًا وتتحرك معًا، وغالبًا ما تتم مقارنتها بحركات الراقصين عبر أرضية قاعة الرقص.

تم تطوير هذا التفسير الأساسي في الخمسينيات من قبل الفيزيائيين جون باردين، وليون كوبر، وجون روبرت شريفر.

حدود نظرية BCS

ومع ذلك، فإن نظرية BCS - التي سُميت على اسم واضعيها - ليست وصفًا كاملاً. إنه لا يشرح بشكل كامل كل نوع من الموصلات الفائقة أو يلتقط جميع جوانب الظاهرة. ولطالما اشتبه العلماء في أن تفاصيل مهمة كانت مفقودة، لكنهم لم يعرفوا بالضبط ما هي.

يقول تشانغ، عالم أبحاث كبير ورئيس مجموعة في مركز فيزياء الكم الحاسوبية (CCQ) التابع لمعهد فلاتيرون: "تخبرنا نظرية BCS أن الموصلية الفائقة تنشأ بسبب ميل الإلكترونات إلى الاقتران". "لكنها نظرية تقريبية، ولا تخبرنا بأي شيء عن كيفية تفاعل الأزواج." وفقًا لهذا الإطار، تنتشر الأزواج بشكل مستقل في جميع أنحاء المادة، لذا لا ينبغي أن يؤثر زوج واحد على زوج آخر قريب منه.

تقنية التصوير الجديدة تكشف عن التفاعلات الزوجية

لاستكشاف هذه الفجوة، عمل الفيزيائيون التجريبيون في المركز الوطني للبحوث العلمية (CNRS) مع المنظرين في كلية المجتمع في قطر لدراسة كيفية تأثير الأزواج على بعضهم البعض.

وباستخدام طريقة تصوير جديدة، سجل الفريق لقطات لمكان وجود الذرات المزدوجة. لقد استخدموا غازًا من ذرات الليثيوم تم تبريده إلى بضعة أجزاء من المليار من الدرجة فقط مئوية فوق الصفر المطلق. عند درجات الحرارة هذه، تتصرف الذرات كفرميونات، وهي نفس فئة الجسيمات مثل الإلكترونات، مما يجعلها نظامًا نموذجيًا جيدًا.

وأظهرت الصور أن مواقع الذرات المقترنة كانت مرتبطة. وحافظ كل ثنائي على مسافة معينة من الآخرين، على غرار الطريقة التي يتجنب بها الأزواج على حلبة الرقص الاصطدام ببعضهم البعض. يكشف هذا النمط عن التفاعلات التي لم يتم تضمينها في وصف BCS التقليدي.

رؤية أوضح داخل النظام الكمي

يقول يفساه: "تمنحنا نظرية BCS رؤية من خارج قاعة الرقص، حيث يمكننا سماع الموسيقى ورؤية الراقصين يخرجون، ولكننا لا نعرف ما الذي يحدث في قاعة الرقص". "نهجنا يشبه أخذ كاميرا واسعة الزاوية داخل قاعة الرقص. الآن يمكننا أن نرى كيف يتعاون الراقصون ويهتمون ببعضهم البعض، حتى لا يصطدموا ببعضهم البعض."

ولتأكيد النتائج، أجرى تشانغ وباحثه السابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في كلية المجتمع في قطر، يوان ياو هي من معهد الفيزياء الحديثة في جامعة نورثويست في الصين، عمليات محاكاة كمومية مفصلة لنفس النظام. تطابقت نتائج المحاكاة مع الملاحظات التجريبية وأعادت إنتاج الميزات المفقودة، بما في ذلك التباعد بين "الراقصين" المقترنين.

الآثار المترتبة على الموصلات الفائقة في المستقبل

تعمق هذه النتائج فهم الموصلات الفائقة والمواد الكمومية الأخرى المصنوعة من الفرميونات. يعد هذا التقدم ضروريًا لتطوير المواد التي يمكنها التوصيل الفائق عند درجات حرارة أعلى.

في ثمانينيات القرن العشرين، اكتشف العلماء الذين يدرسون السبائك المعدنية فئة من الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية والتي تعمل عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة النيتروجين السائل - وهي درجة حرارة باردة تبلغ -196 درجة مئوية (ناقص 321 درجة). فهرنهايت). ولا يزال العلماء لا يفهمون تمامًا سبب عمل هذه المواد عند درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا.

ومن خلال تحسين المعرفة بكيفية عمل الموصلية الفائقة على المستوى الأساسي، يأمل الباحثون في نهاية المطاف في إنشاء مواد تعمل في ظل الظروف اليومية. وهذا يمكن أن يحسن بشكل كبير كفاءة شبكات الطاقة وأنظمة الحوسبة المتقدمة.

يقول تشانغ: "من خلال فهم هذه الحالة البسيطة، يمكننا ضبط أدواتنا لدراسة أنظمة أكثر تعقيدًا". "والأنظمة الأكثر تعقيدًا هي التي نبحث فيها عن أطوار جديدة للمادة، والتي دفعت الكثير من الاختراقات التكنولوجية في الماضي."

المرجع: "مراقبة الشحنة المكانية وارتباطات الدوران في غاز فيرمي شديد التفاعل" بقلم سيبريان دايكس، وماكسيم ديكميرياس، ويوان ياو هي، ويوريس فيرستراتن، وتيم دي جونغ، وبرونو بيوديسيرف، وشيوي تشانغ، وطارق يفساه، 15 أبريل 2026، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/2t2k-3ftx

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.