يؤدي اقتران الإلكترونات في الذرة الاصطناعية إلى توصيل الكهرباء دون أي مقاومة

[عبدالله أسحاق]

تتضمن الحالة، المعروفة باسم حالة ماتشيدا-شيباتا، اقتران الإلكترونات في ذرة اصطناعية على سطح الموصل الفائق.

حقق فريق من علماء الفيزياء من جامعة هامبورغ طفرة في مجال فيزياء الكم من خلال ملاحظة حالة نادرة للمادة تنبأ بها المنظرون اليابانيون قبل أكثر من نصف قرن.
ولاية ماتشيدا-شيباتا

تتضمن الحالة، المعروفة باسم حالة ماتشيدا-شيباتا، اقتران الإلكترونات في ذرة اصطناعية على سطح الموصل الفائق. وقد يكون لهذا الاكتشاف، الذي نُشر في مجلة Nature، آثار على تطوير الأجهزة الإلكترونية ذات البنية النانوية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

الإلكترونات هي جسيمات سالبة الشحنة تتنافر عادة. وهذا يؤثر على خصائص العديد من المواد، مثل مقاومتها الكهربائية. ومع ذلك، في ظل ظروف معينة، يمكن للإلكترونات أن تشكل أزواجًا وتتصرف مثل البوزونات، وهي جسيمات يمكن أن تشغل نفس المساحة أو لها نفس الحركة.

عندما يحدث هذا، يمكن أن تظهر المادة موصلية فائقة، مما يعني أنها تستطيع توصيل الكهرباء دون أي مقاومة. للموصلية الفائقة العديد من التطبيقات المهمة في مجال التكنولوجيا، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي أو أجهزة الكشف شديدة الحساسية للمجالات المغناطيسية.

الموصلية الفائقة في أصغر وحدة ممكنة

تمكن الباحثون من جامعة هامبورغ من تحفيز الموصلية الفائقة في أصغر وحدة ممكنة: النقطة الكمومية، وهي ذرة اصطناعية يمكنها حبس الإلكترونات في مساحة صغيرة. لقد فعلوا ذلك عن طريق إنشاء نقاط كمومية من ذرات الفضة وربطها بموصل فائق مصنوع من الرصاص. ومن خلال ضبط عدد الإلكترونات في النقاط الكمومية، تمكنوا من مراقبة تكوين أزواج الإلكترونات وقياس طيف الطاقة الخاص بها.

تطابقت النتائج التجريبية مع التنبؤات النظرية التي قدمها كازوشيجي ماتشيدا وفومياكي شيباتا في أوائل السبعينيات. واقترحوا أن أزواج الإلكترونات في النقاط الكمومية المقترنة بالموصلات الفائقة سيكون لها حالة خاصة ذات ذروة طاقة منخفضة للغاية. ولم يتم اكتشاف هذه الحالة بشكل مباشر من قبل، على الرغم من أهميتها لفهم الظواهر الكمومية على المستوى النانوي.

اكتشف الباحثون أيضًا أن حالة ماتشيدا-شيباتا يمكن أن تكون مفيدة لتقليل الضوضاء في البتات الكمومية المرسلة، والتي تعد مكونات أساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الحديثة. وهذا ما أكده العمل الأخير الذي قام به باحثون من هولندا والدنمارك.
وفي رسالة بالبريد الإلكتروني إلى المؤلف الأول للورقة البحثية، الدكتور لوكاس شنايدر، أعرب كازوشيجي ماتشيدا عن امتنانه "لاكتشاف" ورقته القديمة والتحقق منها تجريبيًا بعد 50 عامًا. لقد كتب: "اعتقدت لفترة طويلة أن الشوائب غير المغناطيسية للمعادن الانتقالية تنتج حالة الفجوة، لكن موقعها قريب جدًا من حافة فجوة الموصلية الفائقة، وبالتالي من المستحيل إثبات وجودها. ولكن بأسلوبك البارع، تأكدت أخيراً من صحته تجريبياً”.

ونشرت الدراسة في مجلة الطبيعة

ملخص الدراسة:

تكتسب المواد الخالية من الفجوات في التلامس الإلكتروني مع الموصلات الفائقة موصلية فائقة ناجمة عن القرب في منطقة قريبة من الواجهة. تعتمد العديد من المقترحات على إضافة الاقتران الإلكتروني إلى أنظمة غير فائقة التوصيل في الأصل، وتتنبأ بمراحل مثيرة للاهتمام للمادة، بما في ذلك الموصلية الطوبولوجية، أو التردد الفردي، أو النقطة العقدية، أو الموصلية الفائقة لفولدي-فيريل-لاركين-أوفتشينيكوف. نحن هنا ندرس المثال الأكثر مصغرة لتأثير القرب على مستوى كمي واحد فقط منحط الدوران لحالة سطحية محصورة في زريبة كمومية 11 على ركيزة فائقة التوصيل، مبنية ذرة بعد ذرة بواسطة مجهر نفقي ماسح. عندما يتم وضع نمط ذاتي للزريبة بالقرب من طاقة فيرمي عن طريق ضبط حجم الزريبة، يدخل زوج من الحالات المتماثلة بين ثقب وجسيم في فجوة الموصل الفائق. وقد حددنا هذه الحالات على أنها حالات مرتبطة بأندريف متحللة الدوران، تنبأ بها ماتشيدا وشيباتا نظريًا منذ 50 عامًا، والتي استعصت حتى الآن على اكتشافها بواسطة التحليل الطيفي النفقي، لكن تبين مؤخرًا أنها ذات صلة بأجهزة البت الكمي المرسلة. نجد أيضًا أن التقاطعات المرصودة للحالات الموجودة في الفجوة هي مقياس للاقتران الناجم عن القرب في الأنماط الذاتية للزريبة الكمومية. نتائجنا لها عواقب مباشرة على تفسير حالات الفجوة الناجمة عن الشوائب في الموصلات الفائقة، وتؤيد المفاهيم لحث الموصلية الفائقة على الحالات السطحية، وتمهد الطريق نحو شبكات صناعية فائقة التوصيل.