تظهر الموصلية الفائقة السطحية في المواد الطوبولوجية – عالم الفيزياء

وجد الباحثون في معهد لايبنيز لأبحاث الحالة الصلبة والمواد في IFW Dresden، ألمانيا، دليلاً على الموصلية الفائقة السطحية في فئة من المواد الطوبولوجية المعروفة باسم Weyl Semimetals. ومن المثير للاهتمام أن الموصلية الفائقة، التي تأتي من الإلكترونات المحصورة فيما يسمى بأقواس فيرمي، تختلف قليلاً على الأسطح العلوية والسفلية للعينة المدروسة. يمكن استخدام هذه الظاهرة لإنشاء حالات ماجورانا - وهي أشباه جسيمات طال انتظارها والتي يمكن أن تصنع بتات كمومية مستقرة للغاية ومتسامحة مع الأخطاء للجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وفي الوقت نفسه، قامت مجموعة أخرى في جامعة ولاية بنسلفانيا في الولايات المتحدة بتصنيع موصل فائق طوبولوجي مراوان من خلال الجمع بين مادتين مغناطيسيتين. ويمكن أيضًا العثور على ولايات ماجورانا في هذه المادة الجديدة.

العوازل الطوبولوجية عبارة عن عزل في الجزء الأكبر ولكنها توصل الكهرباء بشكل جيد للغاية على حوافها عبر حالات إلكترونية خاصة ومحمية طوبولوجيًا. هذه الحالات الطوبولوجية محمية من التقلبات في بيئتها ولا تتشتت الإلكترونات فيها. وبما أن التشتت الخلفي هو عملية التبديد الرئيسية في الإلكترونيات، فهذا يعني أنه يمكن استخدام هذه المواد لصنع أجهزة إلكترونية ذات كفاءة عالية في استخدام الطاقة في المستقبل.

أشباه معادن ويل هي فئة تم اكتشافها مؤخرًا من المواد الطوبولوجية التي تتصرف فيها الإثارة الإلكترونية كفرميونات عديمة الكتلة - تنبأ بها لأول مرة في عام 1929 عالم الفيزياء النظرية هيرمان ويل كحل لمعادلة ديراك. تتصرف هذه الفرميونات بشكل مختلف تمامًا عن الإلكترونات الموجودة في المعادن العادية أو أشباه الموصلات من حيث أنها تظهر التأثير المغناطيسي اللولبي. يحدث هذا عندما يتم وضع معدن فايل في مجال مغناطيسي، مما يولد تيارًا من جزيئات فايل الموجبة والسالبة التي تتحرك بشكل موازي ومضاد للتوازي مع المجال.

يمكن أن تظهر الفرميونات التي يمكن وصفها بنظرية ويل كأشباه جسيمات في المواد الصلبة التي لها نطاقات طاقة إلكترون خطية تتقاطع فيما يسمى بـ (عقد ويل)، والتي يصاحب وجودها في بنية النطاق السائب حتماً تكوين "فيرمي". أقواس" على بنية النطاق السطحي التي تربط بشكل أساسي أزواج من "الإسقاطات" لعقد Weyl ذات اللامركزية المعاكسة. يشكل كل قوس نصف حلقة على السطح العلوي للعينة مكتملة بقوس على السطح السفلي.

الإلكترونات محصورة في أقواس فيرمي

في دراسة IFW Dresden، والتي تم تفصيلها في الطبيعة، فريق من الباحثين بقيادة سيرجي بوريسينكو درس البلاتين والبزموت شبه المعدني لويل (PtBi₂). تحتوي هذه المادة على بعض الإلكترونات المحصورة في أقواس فيرمي على سطحها. والأهم من ذلك، أن الأقواس الموجودة على الأسطح العلوية والسفلية لهذه المادة فائقة التوصيل، مما يعني أن الإلكترونات هناك تقترن وتتحرك دون مقاومة. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة الموصلية الفائقة في أقواس فيرمي، مع بقاء الجزء الأكبر معدنيًا، كما يقول الباحثون، والتأثير ممكن بفضل حقيقة أن الأقواس تقع بالقرب من سطح فيرمي (الحدود بين الإلكترونات المشغولة وغير المشغولة) المستويات) نفسها.

حصل الفريق على نتيجته باستخدام تقنية تسمى التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي ذو الزاوية (ARPES). يوضح بوريسينكو أن هذه تجربة معقدة حيث يقوم مصدر ضوء الليزر بتسليم فوتونات منخفضة الطاقة جدًا عند درجات حرارة منخفضة جدًا وفي زوايا انبعاث عالية بشكل غير عادي. يكون هذا الضوء نشيطًا بدرجة كافية لطرد الإلكترونات من العينة ويقوم الكاشف بقياس كل من الطاقة والزاوية التي تخرج بها الإلكترونات من المادة. يمكن إعادة بناء الهيكل الإلكتروني داخل البلورة من هذه المعلومات.

"لقد درسنا PtBi₂ يقول بوريسينكو: "من قبل مع إشعاع السنكروترون، ولكي نكون صادقين، لم نتوقع أي شيء غير عادي". "ومع ذلك، فقد صادفنا فجأة ميزة حادة جدًا ومشرقة وموضعية للغاية من حيث الطاقة النهائية للزخم - كما اتضح فيما بعد، وهي أضيق قمة على الإطلاق في تاريخ الانبعاث الضوئي من المواد الصلبة."

وفي قياساتهم، لاحظ الباحثون أيضًا وجود فجوة طاقة فائقة التوصيل داخل أقواس فيرمي. نظرًا لأن هذه الأقواس فقط هي التي أظهرت علامات وجود فجوة، فهذا يعني أن الموصلية الفائقة تقتصر تمامًا على الأسطح العلوية والسفلية للعينة، وتشكل نوعًا من شطيرة موصل فائق الموصلية المعدنية (الجزء الأكبر من العينة معدنية كما ذكرنا). يوضح بوريسينكو أن هذا الهيكل يمثل "تقاطع SNS-Josephson" جوهريًا.

تقاطع جوزيفسون قابل للضبط

وهذا ليس كل شيء: لأن الأسطح العلوية والسفلية لـ PtBi₂ لهما أقواس فيرمي مميزة، يصبح السطحان موصلين للغاية عند درجات حرارة انتقالية مختلفة، مما يعني أن المادة عبارة عن وصلة جوزيفسون قابلة للضبط. تبشر مثل هذه الهياكل بالكثير من التطبيقات الواعدة، مثل أجهزة قياس المغناطيسية الحساسة والبتات الكمومية فائقة التوصيل.

من الناحية النظرية، PtBi₂ ويمكن أيضا أن تستخدم لإنشاء أشباه الجسيمات تسمى أوضاع ماجورانا صفر، من المتوقع أن يأتي من الموصلية الفائقة الطوبولوجية. يقول بوريسينكو إنه إذا تم إثباتها في تجربة، فقد يتم استخدامها ككيوبتات مستقرة للغاية ومتسامحة مع الأخطاء للجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. "في الواقع، نحن نحقق حاليًا في إمكانية وجود تباين في فجوة التوصيل الفائق في PtBi النقي₂ ومحاولة اكتشاف أشياء مماثلة في بلورات مفردة معدلة من المادة لإيجاد طرق لتحقيق الموصلية الفائقة الطوبولوجية فيها. عالم الفيزياء.

ومع ذلك، ليس من السهل اكتشاف أوضاع ماجورانا صفر، ولكن في PtBi₂ يمكن أن تظهر عندما تنفتح فجوات الموصلية الفائقة في أقواس فيرمي. ومع ذلك، ستكون هناك حاجة إلى تحليلات أكثر تفصيلاً للبنية الإلكترونية للمادة لتأكيد ذلك، كما يقول بوريسينكو.

الجمع بين مادتين مغناطيسيتين

في دراسة منفصلة، ​​قام باحثون من جامعة ولاية بنسلفانيا بجمع عازل طوبولوجي مغنطيسي حديدي وكالكوجينيد الحديد المضاد للمغناطيسية (FeTe). لقد لاحظوا موصلية فائقة مراوانية قوية في السطح البيني بين المادتين - وهو أمر غير متوقع نظرًا لأن الموصلية الفائقة والمغناطيسية الحديدية تتنافسان عادةً مع بعضهما البعض، كما يوضح عضو فريق الدراسة تشاو شينغ ليو.

يقول أحد أعضاء الفريق: "إنه في الواقع مثير للاهتمام للغاية لأن لدينا مادتين مغناطيسيتين غير موصلتين للكهرباء، لكننا جمعناهما معًا، والواجهة بين هذين المركبين تنتج موصلية فائقة قوية للغاية". كوي زو تشانغ. "كالكوجينيد الحديد مضاد للمغناطيسية الحديدية، ونتوقع أن يتم إضعاف خصائصه المضادة للمغناطيسية حول الواجهة لتؤدي إلى الموصلية الفائقة الناشئة، لكننا بحاجة إلى المزيد من التجارب والعمل النظري للتحقق من صحة هذا الأمر ولتوضيح آلية التوصيل الفائق".

حلقات Weyl تربط

مرة أخرى، النظام، الذي تم تفصيله في علومويقول إن هذا قد يكون بمثابة منصة واعدة لاستكشاف فيزياء ماجورانا.

يقول بوريسينكو إن البيانات الواردة من الباحثين في ولاية بنسلفانيا "مثيرة للاهتمام للغاية"، وكما هو الحال في عمل مجموعته، يبدو أن ليو وتشانغ وزملائهم قد وجدوا دليلاً على الموصلية الفائقة غير العادية، وإن كان ذلك في نوع مختلف من الواجهة. يقول: "في عملنا، السطح عبارة عن واجهة بين الكتلة والفراغ وليس بين مادتين".

ويوضح أن الباحثين في ولاية بنسلفانيا يهدفون أيضًا إلى إثبات الموصلية الفائقة الطوبولوجية، لكنهم أضافوا المكونات الضرورية - كسر التماثل والطوبولوجيا - بطريقة أكثر اصطناعية من خلال جمع المواد ذات الصلة معًا لتشكيل بنية متغايرة. "في حالتنا، ونظرًا للطبيعة الفريدة لأشباه معادن Weyl، فإن هذه المكونات موجودة بشكل طبيعي في مادة واحدة."

• 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 كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/