لاحظ الفيزيائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نوعًا نادرًا من الموصلية الفائقة في مادة تسمى الجرافين المقطورة الملتوية “الزاوية السحرية”. كريديت: بابلو جيريلو-هيريرو ، جوان جاو ، جيونج مين بارك وآخرون.
قد تساعد الاكتشافات الجديدة في إرشاد تصميم آلات التصوير بالرنين المغناطيسي الأكثر قوة أو أجهزة الكمبيوتر الكمومية القوية.
لاحظ علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أعراض نوع نادر من الموصلية الفائقة في مادة تسمى الجرافين ذي الزاوية السحرية الملتوية للمقطورة. تظهر في دراسة طبيعي، أفاد الباحثون أن المادة تظهر موصلية فائقة في مجالات مغناطيسية عالية بشكل مدهش تصل إلى 10 تسلا ، وهي أطول بثلاث مرات من المتوقع أن تتحملها المادة إذا كانت موصلة فائقة تقليدية.
إن المقطورة ذات الزاوية السحرية التي اكتشفتها نفس المجموعة في البداية هي نوع نادر جدًا من الموصل الفائق للجرافين ، يُطلق عليه “الدوران الثلاثي” ، وتشير النتائج بقوة إلى أنه يمكنه اختراق المجالات المغناطيسية العالية. يمكن لمثل هذه الموصلات الفائقة الجذابة أن تحسن بشكل كبير تقنيات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي ، الذي يستخدم أسلاكًا فائقة التوصيل تحت مجال مغناطيسي ويشبه الأنسجة البيولوجية. تقتصر أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي حاليًا على 1 إلى 3 مجالات مغناطيسية تسلا. إذا كان من الممكن إنشاؤها باستخدام الموصلات الفائقة الدورانية الثلاثية ، يمكن أن يعمل التصوير بالرنين المغناطيسي تحت حقول مغناطيسية عالية لإنشاء صور حادة وعميقة لجسم الإنسان.
سيساعد الدليل الجديد على الموصلية الفائقة الدورانية الثلاثية في مقطورة الجرافين العلماء على تصميم موصلات فائقة قوية للحوسبة الكمومية العملية.
“تكمن قيمة هذه التجربة في أنها تعلمنا عن الموصلية الفائقة الأساسية وكيف تتصرف المواد ، حتى نتمكن من تعلم تلك الدروس ومحاولة تصميم سياسات للمنتجات الأخرى التي يسهل إنتاجها ، وهي الموصلية الفائقة الأفضل بالنسبة لك ،” يقول سيسيل وإيدا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أستاذ الفيزياء الخضراء بابلو جيريلو هيريرو.
ومن بين المؤلفين المشاركين في الدراسة Postdock Yuan Kao و Jeong Min Park ، طالب دراسات عليا في MIT ، و Kenji Watanabe و Takashi Tanikuchi ، من المعهد الوطني للعلوم في اليابان.
تغيير غريب
يتم تعريف المواد فائقة التوصيل من خلال قدرتها الفائقة الكفاءة على توصيل الكهرباء دون فقد الطاقة. عند تعرضها لمجال كهربائي ، تتحرك الإلكترونات في زوج من الموصلات الفائقة في “أزواج نحاسية” ثم تنتقل عبر الجسم دون عوائق مثل الركاب في قطار سريع.
في معظم الموصلات الفائقة ، تحتوي أزواج الركاب هذه على حلقات معاكسة ، حيث يدور إلكترون واحد لأعلى والآخر لأسفل – وهي بنية تسمى “مفردة مغزلية”. تتسارع هذه الأزواج بسعادة من خلال موصل فائق ، وتحول طاقة كل إلكترون في اتجاهين متعاكسين ، ما عدا تحت الحقول المغناطيسية العالية ، مع تجنب الزوج. بهذه الطريقة ، وعن طريق الوسائل ، اخترقت المجالات المغناطيسية العالية مسار الموصلية الفائقة في الموصلات الفائقة اللولبية التقليدية.
يقول بارك: “في مجال مغناطيسي كبير بما يكفي ، هذا هو السبب النهائي لاختفاء الموصلية الفائقة”.
لكن القليل من الموصلات الفائقة الجذابة تخضع لمجالات مغناطيسية تصل إلى قوى هائلة. هذه المواد موصلة بشكل فائق بواسطة زوج من الإلكترونات لهما نفس اللولب – وهي خاصية تسمى “اللولبية الثلاثية”. عند تعرضهما لمجالات مغناطيسية عالية ، تتغير طاقات الإلكترونين في زوج Cooper في نفس الاتجاه ، ولا يتم سحبهما في اتجاه واحد ، ولكنهما يستمران دون عوائق بواسطة الموصل الفائق ، بغض النظر عن قوة المجال المغناطيسي.
كان فريق جاريلو-هيريرو فضوليًا لمعرفة ما إذا كانت علامة الموصلية الفائقة اللولبية الثلاثية غير العادية هذه لمقطورة الزاوية السحرية Graben. طور الفريق عملاً رائدًا في دراسة هياكل تموج في النسيج الجرافين – طبقات من المشابك الكربونية الرقيقة الذرية التي ، عند تكديسها في زوايا محددة ، تؤدي إلى سلوكيات إلكترونية مفاجئة.
أبلغ الباحثون في البداية عن مثل هذه الخصائص المثيرة للاهتمام في الجرافين في لوحين بزاوية تسمى الجرافين ذو الزاوية السحرية. سرعان ما واصلوا اختبار مقطورة الجرافين ، والتي تبين أنها تكوين شطيرة من ثلاث صفائح من الجرافين ، أقوى من رقم المشغل ، مع الاحتفاظ بالموصلية الفائقة عند درجات حرارة أعلى. لاحظ الباحثون أنه عند استخدام مجال مغناطيسي عادي ، كانت المقطورة قادرة على التوصيل الفائق لشدة مجال الجرافين ، والتي من شأنها تدمير الموصلية الفائقة في لاعب الجرافين.
تقول جيريلو هيريرو: “اعتقدنا أن هذا شيء غريب جدًا”.
عودة خارقة
في دراستهم الجديدة ، اختبر الفيزيائيون الموصلية الفائقة لمقطورة الجرافين تحت حقول مغناطيسية عالية. لقد صنعوا المادة عن طريق تقشير طبقات رقيقة من الكربون من حزمة الجرافيت ، وتكدس ثلاث طبقات معًا وتدوير الطبقات الوسطى بمقدار 1.56 درجة فيما يتعلق بالطبقات الخارجية. قاموا بتوصيل قطب كهربائي في كلا طرفي الجسم لتوجيه تيار كهربائي وقياس أي قوة مفقودة في العملية. ثم قاموا بتشغيل مغناطيس كبير في المختبر ، والذي كان موازيًا للجسم مع مجال.
مع زيادة المجال المغناطيسي حول الجرافين المقطورة ، لاحظوا أن الموصلية الفائقة كانت قوية إلى حد ما قبل أن تختفي ، ولكن بعد ذلك عادت للظهور بفارغ الصبر عند شدة مجال أعلى – وهذا أمر غير معتاد للغاية ولا يبدو أنه يحدث في الدوران المفرد التقليدي الموصلات الفائقة.
يقول كاو: “في الموصلات الفائقة المغزلية المفردة ، إذا قتلت الموصلية الفائقة ، فلن تعود أبدًا – لقد اختفت إلى الأبد”. “لقد علمنا بذلك ببساطة في ذلك الوقت. لذلك فهي تقول بالتأكيد أن هذه المادة ليست مفردة لولبية. “
بعد “إعادة الدخول” ، لاحظوا أيضًا أن الموصلية الفائقة استمرت حتى 10 تسلا ، وهي أقصى شدة مجال يمكن أن يولدها مغناطيس المختبر. هذا أكثر بثلاث مرات مما يمكن أن يتحمله الموصل الفائق إذا كان فردًا حلزونيًا تقليديًا ، وهي نظرية تتنبأ بأقصى مجال مغناطيسي يمكن لجسم ما أن يحافظ على الموصلية الفائقة ، ضمن نطاق بول.
إن عودة ظهور الموصلية الفائقة للجرافين المقطورة ، جنبًا إلى جنب مع ثباتها في الحقول المغناطيسية الأعلى من المتوقع ، تنفي إمكانية أن تصبح المادة موصلة فائقة للجريان خارج الطاحونة. بدلاً من ذلك ، هو نوع نادر جدًا ، والذي يدور بشكل حلزوني ثلاثي ، ويستضيف النحاس من خلال الجسم ، ويخترق المزيد من المجالات المغناطيسية. يخطط الفريق لحفر المادة لضمان موضع دورانها الدقيق ، مما سيمكن من تصميم آلات تصوير بالرنين المغناطيسي أكثر قوة وآلات كم أكثر قوة.
يقول جيريلو هيريرو: “الحوسبة الكمومية التقليدية هشة للغاية”. “تنظر إليها ، إنها تختفي. منذ ما يقرب من 20 عامًا ، اقترح المنظرون نوعًا من الموصلية الفائقة الطبوغرافية ، إذا تم إدراكها بأي شكل من الأشكال. [enable] الدول المسؤولة عن حساب النظام الكمي قوية جدًا. هذا يعطي المزيد من القوة اللانهائية للحساب. المادة الخام الرئيسية لتحقيق ذلك ستكون نوعًا معينًا من الموصلات الفائقة الحلزونية الثلاثية. لا نعرف ما إذا كانت فئتنا تنتمي إلى تلك الفئة. ولكن حتى لو لم يحدث ذلك ، فسوف يسهل على هذا النوع من مهندسي الموصلية الفائقة وضع الجرافين في المقطورة مع مواد أخرى. يمكن أن يكون ذلك نقطة تحول رئيسية. لكن الوقت لا يزال مبكرا. “
ملاحظة: جوان 21 ، 2021 ، “كسر القوس وإعادة دخول الموصلية الفائقة في مولي جرابين” بقلم خوان كاو وجيونج مين بارك وكينجي واتانابي وتاكاشي دانيكوتشي وبابلو جيريلو-هيريرو طبيعي.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y
تم دعم البحث من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، ومؤسسة Gordon & Betty Moore ، ومناطق Fundacion Ramon ، ومشروع مواد الكم Cipher.
