اكتشف علماء الكم ظاهرة في البرونز البنفسجي، وهو معدن أحادي البعد، يسمح له بالتبديل بين الحالات العازلة وفائقة التوصيل. هذا التبديل، الناتج عن الحد الأدنى من المحفزات مثل الحرارة أو الضوء، يرجع إلى “التناظر الناشئ”. هذا الاكتشاف الثوري، الذي بدأ من خلال البحث في المقاومة المغناطيسية المعدنية، يمكن أن يؤدي إلى تطوير مفاتيح مثالية في الأجهزة الكمومية، وهو معلم محتمل في تكنولوجيا الكم.
اكتشف علماء الكم ظاهرة في البرونز البنفسجي يمكن أن تكون مفتاحًا لتطوير “مفتاح مثالي” في الأجهزة الكمومية التي تتحول بين العمل كعازل وموصل فائق.
البحث الذي أجرته جامعة بريستول ونشر في علماكتشف أن هاتين الحالتين الإلكترونيتين المتقابلتين موجودتان في البرونز البنفسجي، وهو معدن فريد أحادي البعد يتكون من سلاسل من ذرات موصلة فردية.
يمكن للتغيرات الصغيرة في المادة، على سبيل المثال، الناجمة عن محفز صغير مثل الحرارة أو الضوء، أن تؤدي إلى انتقال فوري من حالة عازلة ذات موصلية صفرية إلى حالة فائقة التوصيل ذات موصلية غير محدودة، والعكس صحيح. هذا التنوع المستقطب، المعروف باسم “التناظر الناشئ”، لديه القدرة على توفير مفتاح تشغيل/إيقاف مثالي في التطورات المستقبلية في تكنولوجيا الكم.
تُظهر الصورة تصويرًا للتناظر الناشئ، حيث تظهر قطرة ماء متناظرة تمامًا تخرج من طبقة من الثلج. من ناحية أخرى، فإن بلورات الثلج في الثلج لها شكل معقد وبالتالي فهي أقل تناسقًا من قطرات الماء. ويدل اللون الأرجواني على المادة البرونزية الأرجوانية التي اكتشفت فيها هذه الظاهرة. الائتمان: جامعة بريستول
رحلة مدتها 13 عاما
المؤلف الرئيسي نايجل هوسي، أستاذ الفيزياء في جامعة جامعة بريستولقال: “هذا اكتشاف مثير حقًا ويمكن أن يكون بمثابة انتقال مثالي للأجهزة الكمومية المستقبلية.
“بدأت هذه الرحلة الرائعة منذ 13 عامًا في مختبري عندما قام اثنان من طلاب الدكتوراه، شياو فينج شو ونيك ويكهام، بقياس المقاومة المغناطيسية – التغير في المقاومة الناجم عن المجال المغناطيسي – للبرونز البنفسجي.
وفي غياب المجال المغناطيسي، اعتمدت مقاومة البرونز البنفسجي بقوة على الاتجاه الذي يدخل فيه التيار الكهربائي. كان اعتمادها على درجة الحرارة معقدًا أيضًا. تكون المقاومة معدنية في درجة حرارة الغرفة، ولكن مع انخفاض درجة الحرارة تنعكس وتبدو المادة وكأنها تتحول إلى عازل. ثم، عند أدنى درجات الحرارة، تنخفض المقاومة مرة أخرى عندما تتحول إلى موصل فائق. على الرغم من هذا التعقيد، فمن المثير للدهشة أن المقاومة المغناطيسية بسيطة للغاية. لقد كان هو نفسه في الأساس بغض النظر عن الاتجاه الذي تم محاذاة التيار أو المجال فيه واتباع اعتماد خطي مثالي لدرجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة التحول فائقة التوصيل.
“ولم يتم العثور على تفسير متماسك لهذا السلوك المحير، ظلت البيانات خاملة وغير منشورة على مدى السنوات السبع المقبلة. وأوضح البروفيسور هوسي أن مثل هذا الاضطراب أمر غير معتاد في الأبحاث الكمومية، على الرغم من أن السبب ليس نقص الإحصائيات.
“مثل هذه البساطة في الاستجابة المغناطيسية تكذب دائمًا أصلًا معقدًا، وقد تبين أن حلها المحتمل لن يحدث إلا من خلال لقاء صدفة”.
لقاء الصدفة يؤدي إلى انفراجة
في عام 2017، كان البروفيسور هوسي يعمل في جامعة رادبود وشاهد ندوة للفيزيائي الدكتور بيوتر تشودزينسكي حول موضوع البرونز البنفسجي. في ذلك الوقت، خصص عدد قليل من الباحثين ندوة كاملة لهذه المادة غير المعروفة، والتي أثارت اهتمامه.
قال البروفيسور هوسي: “في الندوة، اقترح تشودزينسكي أن الزيادة في المقاومة يمكن أن تكون ناجمة عن التداخل بين إلكترونات التوصيل والجسيمات المركبة المراوغة المعروفة باسم “الإكسيتونات المظلمة”. تحدثنا بعد الندوة واقترحنا تجربة معًا لاختبار نظريته. وقد أكدت قياساتنا اللاحقة هذا بشكل أساسي.
بناءً على هذا النجاح، أعاد البروفيسور هوسي إحياء بيانات المقاومة المغناطيسية الخاصة بـ Xu وWakeham وأظهرها للدكتور Chudzinski. السمتان الأساسيتان للبيانات – الخطية مع درجة الحرارة والاستقلالية عن الاتجاه الحالي والميدان – أثارت اهتمام تشودزينسكي، كما فعلت حقيقة أن المادة نفسها يمكن أن تظهر سلوكًا عازلًا وفائق التوصيل، اعتمادًا على كيفية نمو المادة.
تساءل الدكتور تشودزينسكي عما إذا كان التفاعل بين حاملات الشحنة والإكسيتونات التي قدمها سابقًا، بدلًا من التحول بالكامل إلى عازل، قد يتسبب في انجذاب الأولى نحو الحد الفاصل بين الحالات العازلة والإكسيتونات فائقة التوصيل مع انخفاض درجة الحرارة. عند الحدود نفسها، يكون احتمال كون النظام عازلًا أو موصلًا فائقًا هو نفسه بشكل أساسي.
قال البروفيسور هوسي: “مثل هذا التناظر الفيزيائي هو حالة غير عادية، وتطوير مثل هذا التناظر في المعدن مع انخفاض درجة الحرارة، ومن هنا جاء مصطلح “التناظر الناشئ”، سيكون الأول من نوعه في العالم.
يدرك الفيزيائيون جيدًا ظاهرة كسر التماثل: خفض تماثل النظام الإلكتروني أثناء التبريد. يعد الترتيب المعقد لجزيئات الماء في بلورة الجليد مثالاً على هذا التناظر المكسور. لكن العكس هو ظاهرة نادرة للغاية، إن لم تكن فريدة من نوعها. وبالعودة إلى تشبيه الماء/الجليد، يبدو الأمر كما لو أنه بتبريد الجليد بشكل أكبر، فإن تعقيد بلورات الجليد “يذوب” مرة أخرى ليتحول إلى شيء متناسق وسلس مثل قطرة الماء.
التماثل الناشئ: ظاهرة نادرة
وقال الدكتور تشودزينسكي، وهو الآن باحث في جامعة كوينز بلفاست: “تخيل خدعة سحرية يتم فيها تحويل صورة ظلية مملة ومشوهة إلى كرة جميلة ومتماثلة تمامًا. هذا هو، باختصار، جوهر التناظر الناشئ. الرقم المعني هو مادتنا، البرونز الأرجواني، في حين أن ساحرنا هو الطبيعة نفسها.
لمزيد من اختبار ما إذا كانت النظرية تحمل الماء، تمت دراسة 100 بلورة فردية إضافية، وبعض العوازل وبعض الموصلات الفائقة، من قبل طالب دكتوراه آخر، مارتن بيربين، الذي يعمل في جامعة رادبود.
وأضاف البروفيسور هوسي: “بعد جهود مارتن الجبارة، انتهت القصة وأصبح من الواضح لماذا تحتوي البلورات المختلفة على مثل هذه الحالات الأساسية المختلفة. وفي المستقبل، قد يكون من الممكن استغلال هذا “العصبية” لإنشاء مفاتيح في الدوائر الكمومية، حيث تُحدث المحفزات الصغيرة تغييرات عميقة بعدة مراتب أسية في مقاومة المفتاح.
المرجع: “التماثل الناشئ في موصل فائق منخفض الأبعاد على حافة Mottness” بقلم P. Chudzinski، M. Berben، Xiaofeng Xu، N. Wakeham، B. Bernáth، C. Duffy، RDH Hinlopen، Yu-Te Hsu، S Wiedmann ، بي. تينيمانز، رونجيينج جين، إم. جرينبلات وإن إي هوسي، 16 نوفمبر 2023، علم.
دوى: 10.1126/science.abp8948
