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

يمكن أن تساعد النتائج الجديدة في تصميم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الأكثر قوة أو أجهزة الكمبيوتر الكمومية القوية.

لاحظ الفيزيائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا علامات على وجود نوع نادر من الموصلية الفائقة في مادة تسمى جرافين ثلاثي الطبقات ملتوي بزاوية سحرية. في دراسة نشرت في طبيعة، أفاد الباحثون أن المادة تظهر موصلية فائقة في مجالات مغناطيسية عالية بشكل مدهش تصل إلى 10 تسلا ، وهو أعلى بثلاث مرات مما كانت ستتحمله المادة إذا كانت موصلة فائقة تقليدية.

تشير النتائج بقوة إلى أن الجرافين ثلاثي الطبقات ذي الزاوية السحرية ، والذي تم اكتشافه في الأصل من قبل نفس المجموعة ، هو نوع نادر جدًا من الموصلات الفائقة ، والمعروف باسم “الدوران الثلاثي” ، وهو غير منفذة للمجالات 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 لرنين وتصوير الأنسجة البيولوجية. تقتصر أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي حاليًا على المجالات المغناطيسية من 1 إلى 3 تسلا. إذا أمكن بناؤها باستخدام موصلات فائقة الدوران ثلاثية ، يمكن أن تعمل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي تحت حقول مغناطيسية أعلى لإنتاج صور أكثر وضوحًا وأعمق لجسم الإنسان.

يمكن للأدلة الجديدة على الموصلية الفائقة الدورانية الثلاثية في الجرافين ثلاثي الطبقات أن تساعد العلماء أيضًا على تصميم موصلات فائقة أكثر قوة للحوسبة الكمومية العملية.

“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 ، مما قد يمنحك أفضل الموصلية الفائقة ، “كما يقول بابلو جاريلو هيريرو ، أستاذ الفيزياء سيسيل وإيدا جرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

ومن بين المؤلفين المشاركين في بحثه زميل ما بعد الدكتوراه يوان كاو وطالب الدراسات العليا جيونج مين بارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بالإضافة إلى كينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي من المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان.

تغيير غريب

يتم تعريف المواد فائقة التوصيل من خلال قدرتها الفائقة الكفاءة على توصيل الكهرباء دون إهدار الطاقة. عند تعرضها لتيار كهربائي ، فإن الإلكترونات الموجودة في موصل فائق تتشكل في “أزواج كوبر” والتي تمر 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”. تمر هذه الأزواج بسعادة عبر موصل فائق ، ما عدا تحت الحقول المغناطيسية العالية ، والتي يمكنها تحريك طاقة كل إلكترون في اتجاهين متعاكسين ، وفصل الزوجين. بهذه الطريقة ، ومن خلال الآليات ، يمكن للحقول المغناطيسية العالية أن تعرقل الموصلية الفائقة في الموصلات الفائقة ذات الدوران الأحادي التقليدي.

يوضح بارك: “هذا هو السبب النهائي وراء اختفاء الموصلية الفائقة في مجال مغناطيسي كبير بما فيه الكفاية”.

ولكن هناك عدد قليل من الموصلات الفائقة الغريبة التي لا تتأثر بالمجالات المغناطيسية ، لقوى كبيرة جدًا. هذه المواد فائقة التوصيل من خلال أزواج من الإلكترونات لها نفس الدوران – وهي خاصية تُعرف باسم “الدوران الثلاثي”. عند تعرضهما لمجالات مغناطيسية عالية ، تتحرك طاقة إلكترونين من زوج كوبر في نفس الاتجاه ، بحيث لا يتم فصلهما ولكنهما يستمران في الموصلية الفائقة دون التعرض للاضطراب ، بغض النظر عن قوة المجال المغناطيسي.

كان لدى مجموعة جاريلو-هيريرو فضول لمعرفة ما إذا كان الجرافين ذو الزوايا الثلاث السحرية قد يحتوي على علامات على هذه الموصلية الفائقة ذات الدوران الثلاثي الأكثر غرابة. قام الفريق بعمل رائد في دراسة هياكل تموج في النسيج من الجرافين – طبقات من شبكات الكربون الذرية الرقيقة التي ، عند تكديسها في زوايا محددة ، يمكن أن تؤدي إلى سلوكيات إلكترونية مفاجئة.

أبلغ الباحثون في البداية عن مثل هذه الخصائص الغريبة في صفحتين مائلتين من الجرافين ، أطلقوا عليها اسم Magic Angle Bilayer Graphene. وسرعان ما أتبعوا اختبارات الجرافين ثلاثي الطبقات ، وهو تكوين شطيرة من ثلاث صفائح من الجرافين وجد أنه أقوى من نظيره ثنائي الطبقات ، مع الاحتفاظ بالموصلية الفائقة عند درجات حرارة أعلى. عندما طبق الباحثون مجالًا مغناطيسيًا متواضعًا ، لاحظوا أن الجرافين ثلاثي الطبقات قادر على التوصيل الفائق في شدة المجال التي من شأنها تدمير الموصلية الفائقة في الجرافين ثنائي الطبقة.

يقول جاريلو هيريرو: “اعتقدنا أنه شيء غريب جدًا”.

عودة رائعة

في دراستهم الجديدة ، اختبر الفيزيائيون الموصلية الفائقة لثلاث طبقات من الجرافين تحت حقول مغناطيسية عالية بشكل متزايد. لقد صنعوا المادة عن طريق تقشير طبقات رقيقة جدًا من الكربون من كتلة من الجرافيت ، وتكديس ثلاث طبقات معًا ، وتدوير الطبقة الوسطى بمقدار 1.56 درجة من الطبقات الخارجية. قاموا بتوصيل قطب كهربائي بكل طرف من المادة لتمرير تيار وقياس أي طاقة مفقودة في العملية. ثم أشعلوا مغناطيسًا كبيرًا في المختبر ، مع مجال وجهوه بالتوازي مع المادة.

أثناء قيامهم بزيادة المجال المغناطيسي حول الجرافين ثلاثي الطبقات ، لاحظوا أن الموصلية الفائقة ظلت قوية إلى حد ما قبل أن تختفي ، ولكن بعد ذلك عادت للظهور بشكل غريب عند شدة مجال أعلى – عودة غير عادية للغاية ولا تحدث في الدوران الفردي التقليدي الموصلات الفائقة.

يوضح كاو: “في الموصلات الفائقة ذات الدوران الفردي ، إذا قتلت الموصلية الفائقة ، فلن تعود أبدًا – لقد اختفت إلى الأبد”. “هنا ظهر مرة أخرى. لذلك هذا يقول بوضوح 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 بحوالي ثلاثة أضعاف ما يجب أن يتحمله الموصل الفائق إذا كان مفردة سفلية تقليدية ، وفقًا لحد باولي ، وهي نظرية تتنبأ بالمجال المغناطيسي الأقصى الذي يمكن للمادة أن تحافظ فيه على الموصلية الفائقة.

يستبعد ظهور الموصلية الفائقة للجرافين ثلاثي الطبقات ، إلى جانب ثباته في الحقول المغناطيسية الأعلى من المتوقع ، احتمال أن تكون المادة موصلًا فائقًا عاديًا. بدلاً من ذلك ، من المحتمل أن يكون نوعًا نادرًا جدًا ، من المحتمل أن يكون ثلاثيًا ، يؤوي أزواج كوبر التي تعبر بسرعة المواد ، منيع للحقول المغناطيسية العالية. يخطط الفريق للتعمق أكثر في المادة لتأكيد حالة دورانها الدقيقة ، والتي يمكن أن تساعد في تصميم أجهزة تصوير بالرنين المغناطيسي أكثر قوة ، بالإضافة إلى أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر قوة.

يقول جاريلو هيريرو: “الحوسبة الكمومية الكلاسيكية هشة للغاية”. “تنظر إليه ويختفي لوطي. منذ حوالي 20 عامًا ، اقترح المنظرون نوعًا من الموصلية الفائقة الطوبولوجية والتي ، إذا تم صنعها في أي مادة ، يمكن أن [enable] جهاز كمبيوتر كمي حيث تكون الحالات المسؤولة عن الحساب قوية للغاية. سيعطي المزيد من القوة بشكل لا نهائي للقيام بالحوسبة. سيكون العنصر الرئيسي لتحقيق ذلك هو دوران الموصلات الفائقة الثلاثية ، من نوع ما. ليس لدينا أي فكرة عما إذا كان رجلنا هو ذلك الرجل. ولكن حتى لو لم يكن الأمر كذلك ، فقد يسهل ربط الجرافين ثلاثي الطبقات بمواد أخرى لتصميم هذا النوع من الموصلية الفائقة. يمكن أن يكون اختراق كبير. لكن الوقت لا يزال مبكرا جدا.

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