فئة جديدة من الموصلات الفائقة

نظرية جديدة يمكن أن تشرح كيف تنشأ الموصلية الفائقة غير التقليدية في مجموعة متنوعة من المركبات ربما لم تحدث أبدًا إذا اختار الفيزيائيان Qimiao Si و Emilian Nica اسمًا مختلفًا لنموذجهم لعام 2017 من الموصلية الفائقة الانتقائية المدارية.

في دراسة نشرت هذا الشهر في المواد الكمومية npjسي ، من جامعة رايس ونيكا من جامعة ولاية أريزونا ، يجادلون بأن الموصلية الفائقة غير التقليدية في بعض المواد التي تعتمد على الحديد والثقيلة تنشأ من ظاهرة عامة تسمى “القميص متعدد الحجاج الاقتران. “

في الموصلات الفائقة ، تشكل الإلكترونات أزواجًا وتتدفق بدون مقاومة. لا يستطيع الفيزيائيون شرح كيفية تشكل الأزواج في الموصلات الفائقة غير التقليدية بشكل كامل ، حيث تؤدي القوى الكمومية إلى سلوك غريب. الفرميونات الثقيلة ، وهي مادة كمومية أخرى ، تتميز بالإلكترونات التي تبدو أكبر بآلاف المرات من الإلكترونات العادية.

اقترح Si و Nica فكرة الاقتران الانتقائي داخل المدارات الذرية في عام 2017 لشرح الموصلية الفائقة غير التقليدية في سيلينيدات الحديد القلوية. في العام التالي ، طبقوا النموذج المداري الانتقائي على مادة الفرميون الثقيلة التي ظهرت فيها الموصلية الفائقة غير التقليدية لأول مرة في عام 1979.

لقد فكروا في تسمية النموذج بعد تعبير رياضي ذي صلة اشتهر به رائد الكم وولفجانج باولي ، لكنهم اختاروا تسميته d + d. يشير الاسم إلى دوال الموجة الرياضية التي تصف الحالات الكمية.

قال سي ، أستاذ رايس في الفيزياء وعلم الفلك أولغا ك. “يمكنك تمييز هذا الرقص عن طريق قنوات الموجة s ، والموجة p ، والموجة d ، وتشير d + d إلى نوعين مختلفين من الموجات d التي تندمج معًا في واحدة.”

في العام الذي أعقب نشر نموذج d + d ، ألقى Si العديد من المحاضرات حول العمل ووجد أن أعضاء الجمهور كثيرًا ما يخلطون بين الاسم و “d + id” ، وهو اسم حالة اقتران أخرى ناقشها الفيزيائيون لأكثر من ربع قرن .

قال سي ، الذي يدير أيضًا مركز رايس: “كان الناس يقتربون مني بعد إلقاء محاضرة ويقولون: ‘نظريتك عن d + id مثيرة للاهتمام حقًا’ ، وكانوا يقصدونها كمجاملة ، لكن الأمر كان مزعجًا في كثير من الأحيان” للمواد الكمومية (RCQM).

في منتصف عام 2019 ، التقى Si و Nica على الغداء أثناء زيارتهما لمختبر Los Alamos الوطني ، وبدأا في مشاركة القصص حول ارتباك d + d مقابل d + id.

قالت نيكا: “أدى ذلك إلى مناقشة ما إذا كان d + d قد يكون مرتبطًا بـ d + id بطريقة ذات مغزى ، وأدركنا أنها ليست مزحة”.

تضمن الاتصال حالات اقتران d + d وتلك التي اشتهرت من خلال اكتشاف الهيليوم 3 الفائق الحائز على جائزة نوبل.

قال نيكا: “هناك نوعان من حالات اقتران السوائل الفائقة للهيليوم 3 السائل ، أحدهما يسمى المرحلة B والآخر بالطور A”. “من الناحية التجريبية ، فإن المرحلة B تشبه d + d ، في حين أن المرحلة A هي تقريبًا مثل d + id.”

أصبح التشبيه أكثر إثارة للاهتمام عندما ناقشوا الرياضيات. يستخدم الفيزيائيون حسابات المصفوفة لوصف حالات الاقتران الكمومي في الهيليوم -3 ، وهذا هو الحال أيضًا بالنسبة لنموذج d + d.

قال نيكا: “لديك عدد من الطرق المختلفة لتنظيم تلك المصفوفة ، وأدركنا أن مصفوفة d + d الخاصة بنا للفضاء المداري تشبه شكلًا مختلفًا من مصفوفة d + id التي تصف اقتران الهليوم -3 في مساحة الدوران”.

قال سي إن الارتباطات مع حالات الاقتران الفائق المائع الهليوم -3 ساعدته ونيكا على تقديم وصف أكثر اكتمالاً لحالات الاقتران في كل من الموصلات الفائقة التي تعتمد على الحديد والثقيلة.

“بينما تحدثنا أنا وإميل أكثر ، أدركنا أن الجدول الدوري قال سي ، مشيرًا إلى الرسم البياني الذي يستخدمه علماء الفيزياء لتنظيم حالات الاقتران فائقة التوصيل.

“نحن نستخدم التماثلات – مثل ترتيبات الشبكة أو الدوران ، أو ما إذا كان الوقت الذي يتحرك للأمام مقابل الخلف مكافئًا ، وهو تناظر انعكاس الوقت – لتنظيم حالات الاقتران المحتملة ،” قال. “ما كشفناه هو أنه يمكن العثور على d + id في القائمة الحالية. يمكنك استخدام الجدول الدوري لتكوينه. لكن d + d ، لا يمكنك ذلك. إنه خارج الجدول الدوري ، لأن الجدول لا يتضمن مدارات.”

قال سي إن المدارات مهمة لوصف سلوك المواد مثل الموصلات الفائقة القائمة على الحديد والفرميونات الثقيلة ، حيث “تلعب العلاقات القوية بين الإلكترون والإلكترون دورًا حاسمًا.”

قال سي: “بناءً على عملنا ، يجب توسيع الجدول ليشمل المؤشرات المدارية”.