اكتشف علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الجرافين ثلاثي الطبقات “ذو الزاوية السحرية” قد يكون نادرًا وموصلًا فائقًا مقاومًا للمغناطيس

لاحظ علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا علامات لنوع نادر من الموصلية الفائقة في مادة تسمى “الزاوية السحرية” للجرافين ثلاثي الطبقات الملتوي. الائتمان: بإذن من Pablo Jarillo-Herrero ، Yuan Cao ، Jeong Min Park ، et al

قد تساعد النتائج الجديدة في تصميم آلات تصوير بالرنين المغناطيسي أكثر قوة أو أجهزة كمبيوتر كمومية قوية.

لاحظ علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا علامات على وجود نوع نادر من الموصلية الفائقة في مادة تسمى الجرافين ثلاثي الطبقات الملتوي ذي الزاوية السحرية. في دراسة تظهر في طبيعةأفاد الباحثون أن المادة تظهر موصلية فائقة في مجالات مغناطيسية عالية بشكل مدهش تصل إلى 10 تسلا ، وهو أعلى بثلاث مرات مما يُتوقع أن تتحمله المادة إذا كانت موصلة فائقة تقليدية.

تشير النتائج بقوة إلى أن الجرافين ثلاثي الطبقات السحري ، والذي تم اكتشافه في البداية من قبل نفس المجموعة ، هو نوع نادر جدًا من الموصلات الفائقة ، والمعروف باسم “الدوران الثلاثي” ، وهو منيع للحقول المغناطيسية العالية. يمكن لمثل هذه الموصلات الفائقة الغريبة أن تحسن بشكل كبير تقنيات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي ، الذي يستخدم أسلاكًا فائقة التوصيل تحت مجال مغناطيسي لتردد صداها مع الأنسجة البيولوجية وتصويرها. تقتصر أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي حاليًا على المجالات المغناطيسية من 1 إلى 3 تسلا. إذا أمكن بناؤها باستخدام موصلات فائقة الدوران ثلاثية ، يمكن أن يعمل التصوير بالرنين المغناطيسي تحت حقول مغناطيسية أعلى لإنتاج صور أكثر وضوحًا وأعمق لجسم الإنسان.

يمكن للدليل الجديد على الموصلية الفائقة الدورانية الثلاثية في الجرافين ثلاثي الطبقات أن يساعد العلماء أيضًا على تصميم موصلات فائقة أقوى للحوسبة الكمومية العملية.

“إن قيمة هذه التجربة هي ما تعلمنا إياه عن الموصلية الفائقة الأساسية ، وكيف يمكن للمواد أن تتصرف ، حتى نتمكن من خلال هذه الدروس المستفادة من محاولة تصميم مبادئ لمواد أخرى يسهل تصنيعها ، وربما يمنحك ذلك أفضل الموصلية الفائقة ، “كما يقول بابلو جاريلو هيريرو ، أستاذ الفيزياء سيسيل وإيدا جرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

ومن بين المؤلفين المشاركين في الورقة البحثية يوان كاو وطالب الدراسات العليا جيونج مين بارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وكينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي من المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان.

تحول غريب

يتم تعريف المواد فائقة التوصيل من خلال قدرتها الفائقة الكفاءة على توصيل الكهرباء دون فقد الطاقة. عند تعرضها لتيار كهربائي ، تتزاوج الإلكترونات في موصل فائق في “أزواج كوبر” والتي تنتقل بعد ذلك عبر المادة دون مقاومة ، مثل الركاب في قطار سريع.

في الغالبية العظمى من الموصلات الفائقة ، يكون لأزواج الركاب هذه تدور معاكسة ، حيث يدور إلكترون واحد للأعلى والآخر لأسفل – وهو تكوين يُعرف باسم “المفرد المغزلي”. تسرع هذه الأزواج من خلال موصل فائق ، باستثناء الحقول المغناطيسية العالية ، والتي يمكنها تحويل طاقة كل إلكترون في اتجاهين متعاكسين ، مما يؤدي إلى فصل الزوج عن بعضهما البعض. بهذه الطريقة ، ومن خلال الآليات ، يمكن للمجالات المغناطيسية العالية أن تعرقل الموصلية الفائقة في الموصلات الفائقة المغزلية التقليدية.

يقول بارك: “هذا هو السبب النهائي وراء اختفاء الموصلية الفائقة في مجال مغناطيسي كبير بما يكفي”.

لكن هناك عددًا قليلاً من الموصلات الفائقة الغريبة التي لا تتأثر بالمجالات المغناطيسية ، حتى نقاط القوة الكبيرة جدًا. هذه المواد فائقة التوصيل من خلال أزواج من الإلكترونات لها نفس السبين – وهي خاصية تُعرف باسم “الدوران الثلاثي”. عند التعرض لمجالات مغناطيسية عالية ، تتحول طاقة كلا الإلكترونين في زوج Cooper في نفس الاتجاه ، بطريقة لا يتم فصلهما عن بعضهما ولكنهما يستمران في التوصيل الفائق دون اضطراب ، بغض النظر عن قوة المجال المغناطيسي.

شعرت مجموعة جاريلو-هيريرو بالفضول بشأن ما إذا كان الجرافين ثلاثي الطبقات ذي الزاوية السحرية قد يحمل إشارات على الموصلية الفائقة غير العادية ذات الدوران الثلاثي. أنتج الفريق عملاً رائدًا في دراسة هياكل تموج في النسيج الجرافين – طبقات من المشابك الكربونية الرقيقة للذرة والتي ، عند تكديسها في زوايا محددة ، يمكن أن تؤدي إلى سلوكيات إلكترونية مفاجئة.

أبلغ الباحثون في البداية عن مثل هذه الخصائص الغريبة في صفحتين بزاوية من الجرافين ، أطلقوا عليها اسم الجرافين ثنائي الطبقة السحري. وسرعان ما تبعوا اختبارات الجرافين ثلاثي الطبقات ، وهو تكوين شطيرة من ثلاث صفائح من الجرافين تبين أنها أقوى من نظيرتها ثنائية الطبقة ، مع الاحتفاظ بالموصلية الفائقة عند درجات حرارة أعلى. عندما طبق الباحثون مجالًا مغناطيسيًا متواضعًا ، لاحظوا أن الجرافين ثلاثي الطبقات كان قادرًا على التوصيل الفائق في شدة المجال التي من شأنها تدمير الموصلية الفائقة في الجرافين ثنائي الطبقة.

يقول جاريلو هيريرو: “اعتقدنا أن هذا شيء غريب جدًا”.

عودة خارقة

في دراستهم الجديدة ، اختبر الفيزيائيون الموصلية الفائقة للجرافين ثلاثي الطبقات تحت حقول مغناطيسية أعلى بشكل متزايد. قاموا بتصنيع المادة عن طريق تقشير طبقات رقيقة من الكربون من كتلة من الجرافيت ، وتكديس ثلاث طبقات معًا ، وتدوير الطبقة الوسطى بمقدار 1.56 درجة فيما يتعلق بالطبقات الخارجية. قاموا بتوصيل قطب كهربائي بأي من طرفي المادة لتشغيل تيار من خلاله وقياس أي طاقة مفقودة في العملية. ثم قاموا بتشغيل مغناطيس كبير في المختبر ، مع مجال وجّهوه موازيًا للمادة.

عندما قاموا بزيادة المجال المغناطيسي حول الجرافين ثلاثي الطبقات ، لاحظوا أن الموصلية الفائقة صمدت بقوة إلى حد ما قبل أن تختفي ، ولكن بعد ذلك عادت للظهور بشكل مثير للفضول عند شدة مجال أعلى – عودة غير عادية للغاية وغير معروفة حدوثها في الموصلات الفائقة التقليدية.

يقول كاو: “في الموصلات الفائقة المغزلية المفردة ، إذا قتلت الموصلية الفائقة ، فلن تعود أبدًا – لقد اختفت إلى الأبد”. “هنا ، عاود الظهور مرة أخرى. لذلك هذا يشير بالتأكيد إلى أن هذه المادة ليست قطعة مفردة “.

ولاحظوا أيضًا أنه بعد “إعادة الدخول” ، استمرت الموصلية الفائقة حتى 10 تسلا ، وهي أقصى شدة مجال يمكن أن ينتجها مغناطيس المختبر. هذا أعلى بثلاث مرات تقريبًا مما يجب أن يتحمله الموصل الفائق إذا كان مفردًا مغزليًا تقليديًا ، وفقًا لحد باولي ، وهي نظرية تتنبأ بأقصى مجال مغناطيسي يمكن للمادة أن تحتفظ فيه بالموصلية الفائقة.

إن ظهور الموصلية الفائقة لثلاثي الطبقات من الجرافين ، مقترنًا بثباته في الحقول المغناطيسية الأعلى من المتوقع ، يستبعد احتمال أن تكون المادة موصلًا فائقًا عاديًا. بدلاً من ذلك ، من المحتمل أن يكون نوعًا نادرًا جدًا ، من المحتمل أن يكون ثلاثيًا ، يستضيف أزواج كوبر التي تسرع من خلال المادة ، غير منفذة للمجالات المغناطيسية العالية. يخطط الفريق للتنقيب في المادة لتأكيد حالة دورانها الدقيقة ، والتي يمكن أن تساعد في تصميم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الأكثر قوة ، وكذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكثر قوة.

يقول جاريلو هيريرو: “الحوسبة الكمية المنتظمة شديدة الهشاشة”. “تنظر إليه ويختفي لوطي. منذ حوالي 20 عامًا ، اقترح المنظرون نوعًا من الموصلية الفائقة الطوبولوجية التي ، إذا تم تحقيقها في أي مادة ، يمكن أن [enable] جهاز كمبيوتر كمي حيث تكون الدول المسؤولة عن الحساب قوية للغاية. هذا من شأنه أن يعطي المزيد من القوة اللانهائية للقيام بالحوسبة. العنصر الأساسي الذي يجب إدراكه هو الموصلات الفائقة الدورانية الثلاثية ، من نوع معين. ليس لدينا أي فكرة عما إذا كان نوعنا من هذا النوع. ولكن حتى لو لم يكن الأمر كذلك ، فقد يسهل هذا وضع الجرافين ثلاثي الطبقات مع مواد أخرى لهندسة هذا النوع من الموصلية الفائقة. يمكن أن يكون اختراق كبير. لكن لا يزال الوقت مبكرًا جدًا “.

المرجع: “انتهاك حد باولي وإعادة دخول الموصلية الفائقة في تموج الجرافين” بقلم يوان كاو وجيونج مين بارك وكينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي وبابلو جاريلو-هيريرو ، 21 يوليو 2021 ، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

تم دعم هذا البحث من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، ومؤسسة جوردون وبيتي مور ، ومؤسسة رامون أريسيس ، وبرنامج سيفار للمواد الكمومية.