أول تصور مباشر لموجة كثافة زوج صفرية المجال

في مجال الموصلية الفائقة – وهي الظاهرة التي يمكن أن تتدفق فيها الإلكترونات عبر مادة ذات مقاومة صفرية أساسًا – فإن “الكأس المقدسة” للاكتشاف هي موصل فائق يمكن أن يعمل تحت درجات الحرارة والضغوط اليومية. مثل هذه المواد ستحدث ثورة في الحياة الحديثة. لكن حاليًا ، “ارتفاع درجة الحرارة” (ارتفاع درجة الحرارة_ج) اكتشف أن الموصلات الفائقة يجب أن تكون باردة جدًا لتعمل – باردة جدًا لمعظم التطبيقات.

لا يزال أمام العلماء الكثير ليتعلموه قبل أن تتحقق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة ، لأن الموصلات الفائقة عبارة عن مواد معقدة للغاية ذات حالات مغناطيسية وإلكترونية مترابطة وأحيانًا متنافسة. هذه المراحل أو المراحل المختلفة تجعل حل المشكلة وشرحها أكثر صعوبة.

إحدى هذه الحالات هي حالة مادة فائقة التوصيل متناوبة تسمى موجة كثافة الزوج (PDW) ، والتي تتميز بأزواج مدمجة من الإلكترونات تتحرك باستمرار. كان يُعتقد أن PDWs تنشأ فقط عندما يتم وضع موصل فائق داخل مجال مغناطيسي كبير – حتى الآن ، هذا هو الحال.

في الآونة الأخيرة ، لاحظ باحثون من مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، وجامعة كولومبيا ، والمعهد الياباني المتقدم للعلوم الصناعية والتكنولوجيا مباشرة PDW في مادة فائقة التوصيل قائمة على الحديد بدون مجال مغناطيسي. وقد وصفوا نتائجهم في النسخة الإلكترونية من المجلة بتاريخ 28 يونيو 2023 طبيعة.

قال كازوهيرو فوجيتا ، الفيزيائي في Brookhaven الذي شارك في الدراسة: “افترض الباحثون في مجالنا أن PDW نفسها يمكن أن توجد ، لكن الدليل غامض”. “هذا الموصل الفائق القائم على الحديد هو أول مادة تشير الأدلة بوضوح إلى وجود مجال مغناطيسي صفري PDW. هذه نتيجة مثيرة تفتح آفاقًا جديدة محتملة للبحث واكتشاف الموصلية الفائقة.”

المواد والحديد pnictide EuRbFe₄مثل₄ (Eu-1144) ، الذي يحتوي على هيكل بلوري متعدد الطبقات ، رائع جدًا لأنه يُظهر بشكل طبيعي كلاً من الموصلية الفائقة والمغناطيسية الحديدية. كانت هذه الهوية المزدوجة غير العادية هي التي جذبت المجموعة في البداية إلى المادة وقادتهم إلى دراستها.

“أردنا أن نرى ، هل هذه المغناطيسية مرتبطة بالموصلية الفائقة؟ بشكل عام ، تتزعزع الموصلات الفائقة بالترتيب المغناطيسي ، لذلك عندما تجتمع كل من الموصلية الفائقة والمغناطيسية معًا في نفس التركيب ، فمن المثير للاهتمام أن نرى كيف يعمل الاثنان معًا.” قال الفيزيائي أبهاي باسوباثي ، أحد مؤلفي الورقة المشاركين ، والمنتسب إلى كل من بروكهافن وكولومبيا.

“من المتصور أن يكون الحدثان في أجزاء مختلفة من المزيج وليس لهما علاقة ببعضهما البعض. ولكن ، بدلاً من ذلك ، وجدنا علاقة جميلة بين الاثنين.”

تم اكتشاف الموصلية الفائقة المعدلة مكانيًا في أصل المغناطيسية.

درس باسوباثي وزملاؤه Eu-1144 باستخدام أحدث مجهر تصوير طيفي مسح للأنفاق (SI-STM) في مختبر اهتزاز منخفض للغاية في Brookhaven.

“يقيس هذا المجهر عدد الإلكترونات الموجودة في موقع معين ، بمعنى” نفق “ذهابًا وإيابًا بين سطح العينة وطرف SI-STM ، حيث يتغير الجهد بين الطرف والسطح ،” فوجيتا قال. “تسمح لنا هذه القياسات بإنشاء خريطة لكل من الشبكة البلورية للعينة وعدد الإلكترونات عند طاقات مختلفة في كل موقع ذري.”

لقد أجروا قياسات على عيّنتهم مع زيادة درجة حرارتها ، مروراً بنقطتين حرجتين: درجة الحرارة المغناطيسية ، التي تظهر تحتها المادة المغناطيسية الحديدية ، ودرجة الحرارة فائقة التوصيل ، والتي يمكن للمادة تحتها أن تحمل التيار بدون مقاومة.

تحت درجة حرارة الموصلية الفائقة الحرجة للعينة ، كشفت القياسات عن فجوة في طيف طاقات الإلكترون. هذه الفجوة هي معلمة مهمة لأن حجمها يساوي الطاقة المطلوبة لكسر أزواج الإلكترونات التي تحمل التيار فائق التوصيل. تظهر التحويرات في الفجوة اختلافات في طاقات الربط للإلكترونات ، والتي تتأرجح بين الحدود الدنيا والحد الأقصى. تعد تعديلات فجوة الطاقة هذه علامة مباشرة على PDW.

يشير الاكتشاف الباحثين إلى بعض الاتجاهات الجديدة ، وهي محاولة إعادة إنتاج هذه الظاهرة في مواد أخرى. يمكن أيضًا استكشاف جوانب أخرى من PDW ، مثل محاولة الكشف ضمنيًا عن حركة أزواج الإلكترونات من خلال التوقيعات الموضحة في الخصائص الأخرى للمادة.

قال باسباثي: “أظهر العديد من المتعاونين لدينا اهتمامًا كبيرًا بعملنا وهم يخططون بالفعل لأنواع مختلفة من التجارب ، مثل استخدام الأشعة السينية والميونات”.