الموصل الفائق الطوبولوجي يؤوي حالة بلورية غير عادية - عالم الفيزياء

حدد باحثون في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وأيرلندا حالة بلورية جديدة فائقة التوصيل في ديتلوريد اليورانيوم (UTe).₂). إن وجود هذه الحالة يتحدى الصورة التقليدية للموصلية الفائقة ويمكن أن يكون لها آثار على تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

يقول قائد الفريق: "ظل الفيزيائيون يبحثون عن مادة مثل هذه لأكثر من 60 عامًا" شوتشيو وانغ، عالم فيزياء المادة المكثفة وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة أكسفورد، المملكة المتحدة.

الموصلات الفائقة هي المواد التي توصل الكهرباء دون أي مقاومة. في نظرية الموصلية الفائقة Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) ، يحدث الانتقال إلى تدفق تيار خالٍ من المقاومة عند درجات حرارة منخفضة ، عندما تتغلب الإلكترونات على تنافرها الكهربائي المتبادل لتشكيل ما يسمى "أزواج Cooper" التي يمكنها السفر دون عوائق عبر المادة مثل السائل الفائق.

s-, p- و d- التماثلات الموجية

الدوال الموجية لأزواج كوبر هذه لها ثلاثة أنواع محتملة من التناظر: s-, d- أو p-موجة. s- تشتمل الموصلات الفائقة بالموجات على موصلات فائقة تقليدية (أي تخضع لنظرية BCS) مثل الرصاص والقصدير والزئبق. في هذه المواد ، يتكون كل زوج من زوج Cooper من إلكترون واحد مع دوران لأعلى وإلكترون واحد مع دوران لأسفل. عندما تتحرك هذه الإلكترونات وجهاً لوجه نحو بعضها البعض ، يكون الزخم الزاوي الصافي للفها صفرًا.

d- تحدث الموصلية الفائقة للموجة في الموصلات الفائقة غير التقليدية ذات درجة الحرارة العالية (non-BCS) مثل أكاسيد النحاس (النحاسات). تشكل الإلكترونات في هذه المواد أيضًا أزواج كوبر حيث يدور إلكترون واحد لأعلى والآخر يدور لأسفل ، وبالتالي فإن الزخم الزاوي الكلي للدوران لكل زوج يكون صفرًا مرة أخرى. ومع ذلك ، فإن الزخم الزاوي المداري للأزواج غير صفري.

الفئة النهائية ، p-الموصلات الفائقة الموجة ، فريدة ومميزة للغاية من حيث أن الدوال الموجية الزوجية من Cooper لهذه المواد لها تكافؤ فردي. هذا يعني أن كلا الإلكترونين إما يدوران لأعلى أو لأسفل ، مما يمنح كل زوج كمية واحدة من الزخم الزاوي المغزلي.

p-جذبت الموصلات الفائقة للموجة اهتمامًا كبيرًا مؤخرًا لأنها أيضًا موصلات فائقة الطوبولوجية ، مما يعني أنها تحتوي على حالات غير عادية عند حوافها. قد يكون لهذه الحالات الطرفية ، المعروفة باسم أوضاع صفر ماجورانا ، تطبيقات في الحوسبة الكمومية. إن البحث عن الموصلات الفائقة الطوبولوجية القابلة للتطبيق من الناحية التكنولوجية مع أزواج كوبر ذات التكافؤ الفردي يعد موضوعًا ساخنًا في أبحاث المادة الكمومية.

بلورة إلكترونية مدمجة في السائل الفائق في الخلفية

في العمل الجديد ، قام الباحثون بقيادة وانج و سي سيموس ديفيس في أكسفورد ، سويًا مع تشيانجكيانج جو of جامعة كورنيل وجوزيف بي كارول في كلية جامعة كورك، استخدم تقنية تسمى المسح المجهري لجوزيفسون النفقي لتصور التعديلات المكانية لإمكانات الاقتران فائقة التوصيل في UTe₂، وهو موصل فائق طوبولوجي تم اكتشافه مؤخرًا. توفر هذه التقنية دقة طاقة لا مثيل لها على نطاق الإلكترون فولت ، مما يسمح بتصور فجوة طاقة إقران الإلكترون على المستوى الذري.

كشفت ملاحظات الفريق أن بعض أزواج الإلكترون في UTe₂ تشكل بنية بلورية داخل السائل الفائق في الخلفية. تُعرف هذه الهياكل باسم موجات كثافة زوج الإلكترون (PDW) ، وقد لاحظها الفريق سابقًا فيها s-موجة فائقة النواقل وفي d-موجة فائقة النواقل. تظهر النتائج الأخيرة أن حالة PDW مشتركة لجميع أنواع تناظرات زوج Cooper.

الموصل الفائق غير التقليدي أكثر غرابة مما كان متوقعًا

"ما هو مثير بالنسبة لنا وللمجتمع فائق التوصيل عمومًا هو أن PDW الذي اكتشفناه يظهر بشكل مجمّع p-الموصل الفائق الموجة ، "يقول وانغ. وتضيف أن أزواج الإلكترونات تبدو وكأنها تمتلك زخمًا زاويًا جوهريًا: "إذا كان هذا صحيحًا ، فإن ما اكتشفناه هو أول PDW يتكون من أزواج من الإلكترونات المغزلية الثلاثية الغريبة التي يشير فيها دوران كلا الإلكترونين في نفس الاتجاه . في حين أن مثل هذه الدول موجودة في p- الموجة الفائقة هيليوم 3 ، فهي غير مسبوقة في الموصلات الفائقة. "

مادة بت الكم لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الطوبولوجية

يوتا₂ تم تصنيعه لأول مرة منذ خمس سنوات ، وهناك أدلة متزايدة على أنه يمكن استخدامه لصنع بتات كمومية ، أو كيوبت ، في ما يسمى بأجهزة الكمبيوتر الكمومية الطوبولوجية. ستكون الحالات الطرفية في مثل هذه الحواسيب محمية ، وبالتالي فهي قوية لظاهرة تسمى فك الترابط حيث تفقد الكيوبتات طبيعتها الكمية (والمعلومات المشفرة فيها) بسبب التفاعلات مع بيئتها.

"UTe₂ وبالتالي يمكن أن تتيح حواسيب كمومية أكثر استقرارًا وعملية "، كما يقول وانغ عالم الفيزياء. "عملنا هو خطوة حاسمة نحو فهم هذه المادة المثيرة للاهتمام وفتح مثل هذه التطبيقات."

تم نشر نتائج الفريق في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/topological-superconductor-harbours-unusual-crystalline-state/