اكتشف العلماء وجود حالة فائقة التوصيل وصعبة المنال تم التنبؤ بها لأول مرة في عام 2017

في تجربة رائدة ، تعاون باحثون من جامعة جرونينجن مع زملائهم من جامعتي نيميغن وتوينتي في هولندا ومعهد هاربين للتكنولوجيا في الصين. وأكدوا معًا وجود حالة فائقة التوصيل تم التنبؤ بها لأول مرة في عام 2017.

تم نشر النتائج التي توصلوا إليها ، والتي تثبت دليلاً على وجود شكل فريد من حالة التوصيل الفائق للـ FFLO ، مؤخرًا في مجلة Science. طبيعة. هذا التطور لديه القدرة على التأثير في مجال الإلكترونيات فائقة التوصيل على وجه الخصوص.

رئيس فيزياء الأجهزة لمجموعة المواد المعقدة بجامعة جرونينجن بهولندا ، والمؤلف الرئيسي لورقة Nature حول حالة الموصلية الفائقة FFLO ، البروفيسور د. هذا جاستن يه. الائتمان: سيلفيا جيرمس

المؤلف الرئيسي للورقة هو البروفيسور جوستين ييه ، الذي يرأس مجموعة فيزياء الأجهزة للمواد المعقدة في جامعة جرونينجن. يعمل يه وفريقه على حالة Ising فائقة التوصيل. إنها حالة خاصة يمكنها مقاومة المجالات المغناطيسية التي تدمر عادة الموصلية الفائقة وصف المجموعة في عام 2015.

في عام 2019 ، أنشأوا جهاز بطبقة مزدوجة من ثاني كبريتيد الموليبدينوميمكن لـ e الجمع بين حالات الموصلية الفائقة التي توجد في طبقتين. ومن المثير للاهتمام أن الجهاز الذي طوره يي وفريقه يجعل من الممكن تشغيل هذه الحماية أو إيقاف تشغيلها باستخدام مجال كهربائي ، مما ينتج عنه ترانزستور فائق التوصيل.

صعبة المنال

يلقي جهاز موصل فائق التوصيل Ising الضوء على تحدٍ طويل الأمد في مجال الموصلية الفائقة. في عام 1964 ، توقع أربعة علماء (Fulde و Ferrell و Larkin و Ovchinnikov) حالة خاصة فائقة التوصيل يمكن أن توجد في ظل ظروف درجة حرارة منخفضة ومجال مغناطيسي قوي ، يشار إليها باسم حالة FFLO.

في الموصلية الفائقة القياسية ، تنتقل الإلكترونات في اتجاهين متعاكسين كأزواج كوبر. نظرًا لأنها تتحرك بنفس السرعة ، فإن سرعة حركية هذه الإلكترونات تساوي صفرًا. ومع ذلك ، في حالة FFLO ، يوجد فرق زخم صغير بين الإلكترونات في أزواج Cooper ، أي يوجد زخم حركي صافي.

يقول يي: “هذه الحالة بعيدة المنال للغاية ولا يوجد سوى عدد قليل من الأوراق تتحدث عن وجودها في الموصلات الفائقة العادية”. “ومع ذلك ، لا شيء من هذا نهائي.”

يوضح مخطط الطور هذا وجود حالة مدارية متباينة الخواص ستة أضعاف ، والتي تحتل جزءًا كبيرًا من مخطط الطور. في الزاوية اليمنى العليا ، تُظهر المخططات التخطيطية التعديل المكاني لمعلمة ترتيب التوصيل الفائق. الائتمان: ب. جامعة فان / جرونينجن

مطلوب مجال مغناطيسي قوي لإنشاء حالة FFLO في موصل فائق نموذجي. لكن الدور الذي يلعبه المجال المغناطيسي يجب تعديله بعناية. ببساطة ، نحتاج إلى استخدام تأثير زيمان لجعل المجال المغناطيسي يلعب دورين. هذا يفصل الإلكترونات في أزواج كوبر بناءً على اتجاه دورانها (لحظة مغناطيسية) ، ولكن ليس على التأثير المداري – الدور الآخر الذي عادةً ما يدمر الموصلية الفائقة.

يوضح يه: “إنها مفاوضات دقيقة بين الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي الخارجي”.

بصمة

طور المؤلف الأول بوهوا وان نماذج تلبي جميع المتطلبات لإظهار أن أزواج كوبر لها سرعة محدودة. الائتمان: ب. جامعة فان / جرونينجن

هو الموصلية الفائقة ، التي قدمها يه ومعاونيه ونشرت في المجلة علوم في عام 2015 ، تم إلغاء تأثير زيمان. “من خلال تقطير المكون الرئيسي الذي يجعل FFLO التقليدي ممكنًا ، وفرنا مساحة كافية للمجال المغناطيسي ليلعب دوره الآخر ، التأثير المداري ،” يقول Yeh.

يوضح يه: “ما أظهرناه في ورقتنا هو بصمة واضحة لحالة FFLO المدفوعة بالتأثير المداري في الموصل الفائق Ising”. “هذه حالة غير معتادة من حالة FFLO ، تم وصفها لأول مرة نظريًا في عام 2017.” تتطلب حالة FFLO في الموصلات الفائقة التقليدية درجات حرارة منخفضة جدًا ومجالًا مغناطيسيًا قويًا جدًا يصعب تكوينه. ومع ذلك ، في الموصل الفائق Ye’s Ising ، تتحقق الحالة في مجال مغناطيسي ضعيف ودرجة حرارة عالية.

ثالوث

في الواقع ، لاحظ لأول مرة علامات حالة FFLO في جهازه فائق التوصيل الموليبدينوم ثاني كبريتيد في عام 2019. يقول يه: “في ذلك الوقت ، لم نتمكن من إثبات ذلك لأن العينات لم تكن كبيرة بما يكفي”. ومع ذلك ، فقد حصل على درجة الدكتوراه. نجح الطالب Puhua Wan منذ ذلك الحين في إنتاج عينات من المادة التي تلبي جميع المتطلبات لإثبات أن أزواج Cooper لها سرعة محدودة. يقول يه: “استغرقت الاختبارات الفعلية نصف عام ، لكن تحليل النتائج أضاف عامًا آخر”. كان مؤلفها الأول فوغان طبيعة ورق.

تتطلب حالة الموصلية الفائقة الجديدة مزيدًا من التحقيق. ياه: “هناك الكثير لنتعلمه عنه. على سبيل المثال ، كيف يؤثر الزخم الحركي على المعلمات الفيزيائية؟ ستوفر دراسة هذه الحالة رؤى جديدة في الموصلية الفائقة. هذا يمكننا من التحكم في هذه الحالة في أجهزة مثل الترانزستورات. هذا هو التحدي التالي الذي نواجهه “.

المرجع: Puhua Wan، Oleksandr Zheliuk، Noah FQ Yuan، Xiaoli Peng، Le Zhang، Minpeng Liang، Uli Zeitler، Steffen Wiedmann، Steffen Wiedmann، 2 Hussey Wiedmann، J.TM4 23، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-05967-z