لاحظ الفيزيائيون نظريًا حالة كمومية قبل 50 عامًا من خلال ربط الإلكترونات بذرة اصطناعية في موصل فائق ، مما يخلق نسخة أولية من الموصلية الفائقة. يوضح هذا الاكتشاف سلوك أزواج الإلكترونات (البوزونات) التي ، على عكس الإلكترونات المفردة ، يمكن أن تتعايش في نفس المكان. هذا العمل له آثار لتحسين فهم الموصلية الفائقة في الهياكل النانوية وتطبيقها المحتمل في أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحديثة.

اكتشف اقتران الإلكترونات في الذرات الاصطناعية

وجد باحثون من قسم الفيزياء في جامعة هامبورغ حالة كمومية تنبأ بها النظريون اليابانيون منذ 50 عامًا ، لكنها استعصت على الاكتشاف حتى الآن. بخياطة اصطناعية الذري نجح الباحثون في ربط الإلكترونات ، المسماة بالنقاط الكمومية ، بسطح الموصل الفائق ، وبالتالي إطلاق نسخة مصغرة من الموصل الفائق. ظهر هذا العمل في العدد الأخير من المجلة طبيعة.

سلوك الإلكترون والموصلية الفائقة

تتنافر الإلكترونات بشكل عام بسبب شحنتها السالبة. تلعب هذه الظاهرة البغيضة دورًا مهمًا في التأثير على العديد من خواص المواد ، من بينها المقاومة الكهربائية. ومع ذلك ، يتغير الوضع بشكل جذري إذا تم “لصق” الإلكترونات معًا في أزواج وتصبح بوزونات. على عكس الإلكترونات الفردية التي تتنافر ، يمكن أن تتعايش الأزواج البوزونية في نفس المكان وتؤدي حركات مماثلة.

عرض ثلاثي الأبعاد لبعض الهياكل المبنية من ذرات من الفضة (تلال صغيرة). يظهر قفص إلكتروني مستطيل الشكل ودائري في الربع الأيسر العلوي من الصورة. الائتمان: لوكاس شنايدر

تعتبر الموصلية الفائقة إحدى أكثر الخصائص إثارة للاهتمام للمواد التي تحتوي على أزواج الإلكترونات هذه ، وهي القدرة على السماح للتيار بالمرور دون مقاومة. تم استخدام الموصلية الفائقة لسنوات عديدة للعديد من التطبيقات التكنولوجية ، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي واكتشاف المجال المغناطيسي عالي الحساسية. مع تصغير الأجهزة الإلكترونية ، هناك اهتمام متزايد بفهم كيفية تحقيق الموصلية الفائقة على نطاق صغير. مقياس النانو الهياكل.

الترابط الإلكتروني في الذرات الاصطناعية

لقد أدرك الباحثون في قسم الفيزياء ومجموعة التميز “CUI: التصوير المتقدم للمادة” في جامعة هامبورغ دمج الإلكترونات في ذرة اصطناعية تسمى النقطة الكمومية ، وهي أصغر كتلة بناء للأجهزة الإلكترونية ذات البنية النانوية. تحقيقا لهذه الغاية ، المحاضر الخاص دكتور من معهد البنية النانوية وفيزياء الجوامد. قام المجربون بقيادة Jens Wiebe بحبس الإلكترونات في أقفاص صغيرة تتكون من ذرة ذرة من الفضة.

من خلال اقتران الإلكترونات المقفلة بموصل فائق عنصري ، اكتسبت الإلكترونات ميلًا للانفصال عن الموصل الفائق. جنبًا إلى جنب مع فريق علماء الفيزياء النظرية التابع للعنقود بقيادة الدكتور ثور بوسكي ، ربط الباحثون التوقيع التجريبي ، وهو ذروة طيفية عند طاقة منخفضة جدًا ، بحالة كمية تنبأ بها كازوشيجي ماتشيدا في أوائل السبعينيات من القرن الماضي. فومياكي شيباتا.

بينما استعصت الدولة حتى الآن على الاكتشاف المباشر من خلال الأساليب التجريبية ، أظهرت الأبحاث الحديثة التي أجرتها مجموعات في هولندا والدنمارك أنه يمكن أن يكون مفيدًا في قمع الضوضاء غير المرغوب فيها في وحدات الإرسال الكمومية ، وهي لبنة أساسية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحديثة.

في بريد إلكتروني شخصي ، كتب Kazushige Machida ، المؤلف الأول للنشر ، د. كتب لوكاس إلى شنايدر: “شكرًا لك على” اكتشاف “ورقتي القديمة منذ نصف قرن. اعتقدت لفترة طويلة أن الشوائب المعدنية غير المغناطيسية الانتقالية تشكل حالة الفجوة ، ولكن موقعها بالقرب من حافة الفجوة فائقة التوصيل ، لذلك لا يمكن إثبات وجودها. لكنك رائعة باستخدام هذه الطريقة ، لقد اختبرت أخيرًا ما إذا كانت صحيحة من الناحية التجريبية.

المرجع: لوكاس شنايدر ، جاي ثاتون ، يوانيس يوانيدس ، جانيس نيوهاوس-شتاينميتز ، ثور بوسكي ، رولاند ويسنتانجر ، وجينز ويبي ، “الموصلية الفائقة القريبة في النقاط الكمومية ذات النمط الذري ،” 123 ، 20 أغسطس. طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-06312-0