نجح فريق دولي يضم باحثين من جامعة فورتسبورغ في خلق حالة خاصة من الموصلية الفائقة. ويمكن لهذا الاكتشاف أن يعزز تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

تم نشر الورقة التي تناقش البحث في مجلة نيتشر فيزيكس (Nature Physics) بعنوان “التيار الفائق القابل للضبط مغناطيسيًا في عازل طوبولوجي مغناطيسي مخفف يعتمد على تقاطعات جوزيفسون”.

إن الموصلات الفائقة هي مواد يمكنها توصيل الكهرباء دون مقاومة كهربائية، مما يجعلها المادة الأساسية المثالية للمكونات الإلكترونية في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، وقطارات الرفع المغناطيسي، وحتى مسرعات الجسيمات. ومع ذلك، من السهل أن يتم زعزعت الموصلات الفائقة التقليدية بالمغناطيسية. نجحت الآن مجموعة دولية من الباحثين في بناء جهاز هجين يتكون من موصل فائق مستقر ومتقارب ومعزز بالمغناطيسية ويمكن التحكم في وظيفته بشكل خاص.

لقد قاموا بدمج الموصل الفائق مع مادة شبه موصلة خاصة تُعرف باسم العازل الطوبولوجي. وأوضح البروفيسور تشارلز غولد عالم الفيزياء في معهد العوازل الطوبولوجية بجامعة فورتسبورغ (JMU) أن “العوازل الطوبولوجية هي مواد تقوم بتوصيل الكهرباء على سطحها ولكن ليس في الداخل. وهذا يرجع إلى بنيتها الطوبولوجية الفريدة، أي الترتيب الخاص للإلكترونات. إن الشيء المثير هو أننا نستطيع تجهيز العوازل الطوبولوجية بذرات مغناطيسية بحيث يمكن التحكم بها بواسطة المغناطيس”.

تم اقتران الموصلات الفائقة والعوازل الطوبولوجية لتكوين ما يسمى بوصلة جوزيفسون، وهي عبارة عن اتصال بين اثنين من الموصلات الفائقة مفصولة بطبقة رقيقة من مادة غير فائقة التوصيل. وقال غولد: “لقد سمح لنا هذا بالجمع بين خصائص الموصلية الفائقة وأشباه الموصلات”. “لذا فإننا نجمع بين مزايا الموصل الفائق وإمكانية التحكم في العازل الطوبولوجي. باستخدام مجال مغناطيسي خارجي، يمكننا الآن التحكم بدقة في خصائص الموصلية الفائقة. هذا إنجاز حقيقي في فيزياء الكم!

الموصلية الفائقة والمغناطيسية

ويخلق هذا المزيج الخاص حالة غريبة يتم فيها الجمع بين الموصلية الفائقة والمغناطيسية – وعادةً ما تكون هاتان الظاهرتان متعارضتين ونادرا ما تتعايشان. يُعرف هذا باسم حالة (Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov p-FFLO) الناجمة عن القرب. يمكن أن يكون “الموصل الفائق ذو وظيفة التحكم” الجديد مهمًا للتطبيقات العملية، مثل تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية، لا تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية على البتات، بل على البتات الكمومية (qubits)، والتي لا يمكنها افتراض حالتين فقط، بل عدة حالات في وقت واحد.

وأوضح الفيزيائي غولد: “المشكلة هي أن البتات الكمومية غير مستقرة للغاية حاليًا لأنها حساسة للغاية للمؤثرات الخارجية، مثل المجالات الكهربائية أو المغناطيسية. يمكن أن يساعد اكتشافنا في تثبيت البتات الكمومية بحيث يمكن استخدامها في أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل”.

فريق أبحاث الكم الدولي

تم إجراء البحث التجريبي من قبل فريق من كرسي الفيزياء التجريبية الثالث للأستاذ لورنس دبليو مولينكامب في فورتسبورغ. تم تنفيذه بالتعاون الوثيق مع الخبراء النظريين من مجموعة البروفيسور ف. سيباستيان بيرجيريت من مركز فيزياء المواد (CFM) في سان سيباستيان، إسبانيا، والبروفيسور تيون م. كلابفيك من جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا.

تم تمويل مجموعة البحث الدولية من قبل مجموعة التميز التعقيد والطوبولوجيا في المواد الكمومية (ct.qmat) ومؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) وولاية بافاريا الحرة والوكالة الإسبانية لأبحاث الاستثمار (AEI) وبرنامج الأبحاث الأوروبية هورايزون 2020 (Horizon 2020) وبرنامج المنح المتقدمة التابع لمجلس الإنعاش الأوروبي التابع للاتحاد الأوروبي.

إن هذا يجيب في الجزء الأول من الأسئلة التي طرحها المراقبون المهتمون لسنوات حول المجال المغناطيسي الطبيعي حول موصل فائق نشط. ليس من المفاجئ أن يؤدي المجال المغناطيسي المتطفل إلى إحداث بعض الفوضى في الموصل الفائق. ومع ذلك، فمن المفاجئ أيضًا أن يتم التركيز على التكنولوجيا المرتقبة بالفعل.

في يوم من الأيام، يبدو أن مشكلة درجة الحرارة ستكون المشكلة الرئيسية الوحيدة المتبقية.

اقرأ أيضًا: لوائح وكالة حماية البيئة الجديدة بشأن انبعاثات الوقود الأحفوري ستؤدي إلى نقص الطاقة

المصدر: أويل برايس