أكد علماء من جامعة جرونينجن وشركاؤهم الدوليون وجود حالة فائقة التوصيل ، FFLO ، والتي تم توقعها نظريًا في عام 2017. يمكن لجهازهم ، الذي يستخدم طبقة مزدوجة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم للسيطرة على هذه الحالة ، أن يحرز تقدمًا كبيرًا في مجال الإلكترونيات فائقة التوصيل.
في تجربة رائدة ، تعاون باحثون من جامعة جرونينجن مع أقرانهم من جامعات 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 المجلة. طبيعة. هذا الاختراق لديه القدرة على أن يكون له تأثير ، لا سيما في مجال الإلكترونيات فائقة التوصيل.
هذا هو البروفيسور جوستين يي ، رئيس مجموعة فيزياء الأجهزة للمواد المعقدة بجامعة جرونينجن بهولندا ، والمؤلف الرئيسي لورقة نيتشر حول حالة الموصلية الفائقة لـ FFLO. الائتمان: سيلفيا جيرمس
المؤلف الرئيسي للورقة هو البروفيسور جوستين يي ، الذي يرأس مجموعة فيزياء الأجهزة للمواد المعقدة في جامعة جرونينجن. عمل يي وفريقه على حالة Ising فائقة التوصيل. إنها حالة خاصة يمكنها مقاومة المجالات المغناطيسية التي عادة ما تدمر الموصلية الفائقة ، وقد كانت كذلك وصفه الفريق في عام 2015.
في عام 2019 ، أنشأوا جهاز يشتمل على طبقة مزدوجة من ثاني كبريتيد الموليبدينومe التي يمكن أن تقرن حالات الموصلية الفائقة Ising الموجودة في الطبقتين. ومن المثير للاهتمام أن الجهاز الذي ابتكره يي وفريقه يسمح بتنشيط هذه الحماية أو إلغاء تنشيطها باستخدام مجال كهربائي ، مما ينتج عنه ترانزستور فائق التوصيل.
صعبة المنال
يلقي جهاز Ising المزدوج الموصلية الفائقة 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 ، تسمى حالة FFLO.
في الموصلية الفائقة القياسية ، تنتقل الإلكترونات في اتجاهين متعاكسين كأزواج كوبر. عندما تتحرك هذه الإلكترونات بنفس السرعة ، فإن الزخم الزاوي الكلي لهذه الإلكترونات يساوي صفرًا. ومع ذلك ، في حالة FFLO ، يوجد اختلاف بسيط في السرعة بين إلكترونات أزواج Cooper ، مما يعني وجود زخم زاوي صافي.
يقول يي: “هذه الحالة بعيدة المنال للغاية ولا يوجد سوى عدد قليل من الأوراق التي تدعي وجودها في الموصلات الفائقة العادية”. “ومع ذلك ، لا شيء من هذا قاطع.”
يوضح مخطط الطور هذا وجود حالة مدارية متباينة الخواص ستة أضعاف ، والتي تحتل جزءًا كبيرًا من مخطط الطور. في الزاوية اليمنى العليا ، تُظهر الرسوم التوضيحية التخطيطية التعديل المكاني لمعلمة ترتيب التوصيل الفائق. الائتمان: P. Wan / جامعة جرونينجن
لإنشاء حالة FFLO في موصل فائق تقليدي ، يلزم وجود مجال مغناطيسي قوي. لكن الدور الذي يلعبه المجال المغناطيسي يجب صقله بعناية. ببساطة ، لكي يلعب المجال المغناطيسي كلا الدورين ، نحتاج إلى استخدام تأثير زيمان. هذا يفصل الإلكترونات إلى أزواج كوبر بناءً على اتجاه دورانها (لحظة مغناطيسية) ، ولكن ليس التأثير المداري – الدور الآخر الذي عادةً ما يدمر الموصلية الفائقة.
يقول يي: “إنها مفاوضات دقيقة بين الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي الخارجي”.
طباعة رقمية
أنتج المؤلف الأول Puhua Wan العينات التي استوفت جميع الشروط لإظهار أن هناك بالفعل زخمًا محدودًا في أزواج Cooper. الائتمان: P. Wan / جامعة جرونينجن
هو الموصلية الفائقة ، التي قدمها يي ومعاونوه ونشروها في المجلة علم في عام 2015 ، تم إزالة تأثير زيمان. يقول يي: “من خلال تصفية المكون الرئيسي الذي يجعل FFLO التقليدي ممكنًا ، وفرنا مساحة كافية للمجال المغناطيسي ليلعب دوره الآخر ، وهو التأثير المداري”.
يقول يي: “ما أظهرناه في ورقتنا هو بصمة واضحة لحالة FFLO المدفوعة بالتأثير المداري في الموصل الفائق Ising”. “هذه حالة FFLO غير تقليدية ، تم وصفها لأول مرة نظريًا في عام 2017.” تتطلب حالة FFLO في الموصلات الفائقة التقليدية درجات حرارة منخفضة للغاية ومجالًا مغناطيسيًا قويًا للغاية ، مما يجعل من الصعب تكوينها. ومع ذلك ، في الموصل الفائق Ye’s Ising ، تتحقق الحالة بمجال مغناطيسي أضعف وفي درجات حرارة أعلى.
الترانزستورات
في الواقع ، لاحظ يي لأول مرة علامات حالة FFLO في جهاز الموصل الفائق لثاني كبريتيد الموليبدينوم في عام 2019. “في ذلك الوقت ، لم نتمكن من إثبات ذلك ، لأن العينات لم تكن جيدة بما فيه الكفاية ،” يقول يي. ومع ذلك ، فقد حصل على درجة الدكتوراه. تمكن الطالب Puhua Wan منذ ذلك الحين من إنتاج عينات من المواد التي استوفت جميع الشروط لإظهار أن هناك بالفعل زخمًا محدودًا في أزواج Cooper. يقول يي: “استغرقت التجارب الفعلية ستة أشهر ، لكن تحليل النتائج أضاف عامًا آخر”. وان هو المؤلف الأول لملف طبيعة ورق.
تتطلب حالة الموصلية الفائقة الجديدة مزيدًا من الدراسة. أنتم: “هناك الكثير لنتعلمه عن هذا. على سبيل المثال ، كيف يؤثر الزخم الزاوي على المعلمات الفيزيائية؟ ستوفر دراسة هذه الحالة رؤى جديدة في الموصلية الفائقة. ويمكن أن يسمح لنا بالتحكم في هذه الحالة في أجهزة مثل الترانزستورات. هذا هو التحدي القادم لدينا. »
المرجع: “Orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in Ising superconductor” لـ Puhua Wan، Oleksandr Zheliuk، Noah FQ Yuan، Xiaoli Peng، Le Zhang، Minpeng Liang، Uli Zeitler، Steffen Wiedmann، Nigel E. طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-05967-z
