يلقي الاختراق الكمي الضوء على الموصلات الفائقة المحيرة ذات درجات الحرارة العالية

القطارات فائقة السرعة، ونقل الطاقة لمسافات طويلة بدون خسارة، وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي السريعة – كل هذه التطورات التكنولوجية المذهلة في متناول أيدينا إذا تمكنا فقط من إنشاء مواد توصل الكهرباء دون مقاومة، أو “موصلات فائقة” في درجة حرارة الغرفة.

على قطعة من الورق نشرت داخل علوم، أبلغ الباحثون عن تقدم في فهمنا لأصل الموصلية الفائقة في درجات حرارة مرتفعة نسبيًا (وإن كانت لا تزال باردة). وتتعلق النتائج بفئة من الموصلات الفائقة المعروفة باسم “الكوبرات” والتي حيرت العلماء منذ عام 1986.

“لقد كانت هناك إثارة كبيرة عندما تم اكتشاف الموصلات الفائقة للنحاسات [in 1986]يقول شيوي تشانغ، عالم أبحاث كبير في مركز فيزياء الكم الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون (CCQ): “لكن لماذا تكون فائقة التوصيل في درجات الحرارة المرتفعة هذه غير مفهومة”. “بعد ما يقرب من 40 عامًا، أصبح هذا مفاجئًا للجميع. ما زلت لا أفهم تمامًا سبب قيامهم بذلك”.

في الورقة الجديدة، نجح تشانغ وزملاؤه في إعادة إنتاج ميزات الموصلية الفائقة للنحاسات باستخدام نموذج بسيط يسمى نموذج هوبارد ثنائي الأبعاد، والذي يتعامل مع الأجسام مثل الإلكترونات التي تتحرك حول رقعة الشطرنج الكمومية. ويأتي هذا الاختراق بعد سنوات قليلة فقط من إثبات نفس الباحثين لنسخة أبسط من النموذج لا يمكن تحقيق مثل هذا العمل الفذ. يقول المؤلف المشارك في الدراسة أولريش شولفاك، الأستاذ في جامعة ميونيخ، إن مثل هذه النماذج المباشرة يمكن أن تؤدي إلى فهم أعمق للفيزياء.

يقول شولواك: “الفكرة في الفيزياء هي إبقاء النموذج بسيطًا قدر الإمكان لأنه صعب في حد ذاته”. “لذلك قمنا في البداية بدراسة أبسط نسخة يمكن تخيلها.”

في الدراسة الجديدة، قام الباحثون بدمج قدرة الإلكترونات على تشكيل قفزات قطرية، مثل الأساقفة في لعبة الشطرنج، في نموذج هوبارد ثنائي الأبعاد. من خلال هذه التغييرات على أجهزة الكمبيوتر العملاقة وآلاف الأسابيع من عمليات المحاكاة، قام الباحثون بنمذجة العديد من السمات الرئيسية للموصلية الفائقة والنحاسات التي تم اكتشافها سابقًا في التجارب. من خلال إظهار أن نموذج هوبارد المتواضع يمكنه وصف الموصلية الفائقة للنحاسات، يوضح المؤلفون قيمته كمنصة لفهم سبب وكيفية ظهور الموصلية الفائقة.

خلال معظم فترات القرن الماضي، اعتقد الفيزيائيون أنهم يفهمون سبب التوصيل الفائق لبعض المواد. لقد اعتقدوا أن الموصلية الفائقة توجد فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا أقل من 243 درجة مئوية تحت الصفر (حوالي 30 درجة تحت الصفر المطلق). تتطلب درجات الحرارة المنخفضة هذه أنظمة تبريد باهظة الثمن باستخدام الهيليوم السائل.

عندما تم اكتشاف النحاسات في عام 1986، صدمت العالم العلمي من خلال التوصيل الفائق في درجات الحرارة المرتفعة. في منتصف التسعينيات، اكتشف العلماء النحاسيات فائقة التوصيل حتى درجة حرارة 123 درجة مئوية تحت الصفر (حوالي 150 درجة فوق الصفر المطلق). يمكن تحقيق درجات الحرارة هذه باستخدام النيتروجين السائل غير المكلف نسبيًا.

يمكنك أن تتخيل النحاسات على شكل لازانيا مكونة من طبقات من أكسيد النحاس تتناوب مع طبقات من الأيونات الأخرى. (الاسم “كوبرات” يأتي من الكلمة اللاتينية التي تعني النحاس.) تنشأ الموصلية الفائقة عندما تتدفق الكهرباء عبر طبقات من أكسيد النحاس دون مقاومة. تستخدم نسخة مبسطة من نموذج هوبارد ثنائي الأبعاد مصطلحين فقط لتصوير كل طبقة على أنها رقعة شطرنج حيث يمكن للإلكترونات أن ترتد شمالًا وجنوبًا وشرقًا وغربًا.

يقول المؤلف المشارك في الدراسة ستيفن وايت: “عندما بدأت العمل على نموذج هوبارد في الأيام الأولى للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، اعتقدنا أنه بمجرد محاكاة نموذج نقي على رقعة شطرنج صغيرة، فإننا سنفهم الموصلية الفائقة تمامًا”. ، أستاذ في جامعة كاليفورنيا، إرفاين. “ولكن مع تطويرنا للتقنيات، وجدنا أن نموذج هوبارد كان أكثر تعقيدًا مما كنا نعتقد.”

خلقت ميكانيكا الكم هذه المشكلة: تتواجد الإلكترونات في أغلفة، ولكل منها دوران لأعلى أو لأسفل. يمكن أن تصبح الإلكترونات محاصرة. ويعني هذا التعقيد أنه لا يمكن التعامل مع الإلكترونات بشكل فردي حتى عن بعد، مما يجعل عمليات المحاكاة الحاسوبية صعبة للغاية.

ولأنه ينطبق على مئات الذرات التي تتفاعل من خلال قوانين ميكانيكا الكم الغريبة، يمكن كتابة نموذج هوبارد كمعادلة، مع أخذ سطر أو سطرين فقط من النص. يقول وايت: “ما زلنا غير قادرين على الحصول على الإجابات الصحيحة لآلاف السنين”.

إن التعامل مع مشكلة بهذا الحجم يتطلب طرقًا مختصرة، ومثل هذه الطرق المختصرة هي من اختصاص الباحثين. في التسعينيات، طور وايت وتشانغ بشكل منفصل تقنيات شائعة الآن تقلل بشكل كبير من وقت الحوسبة. للتعامل مع النموذج الأكثر تعقيدًا الذي يأتي مع إضافة قفزة قطرية، قام الباحثون بالدمج بين هاتين التقنيتين. إحدى التقنيات تعتبر الإلكترونات جسيمات؛ ويؤكد آخر على بنيتها الشبيهة بالموجة.

يقول شولفاك: “إن الشيء العظيم في الجمع هو أن أحدهما قوي والآخر ضعيف”. “يمكننا إجراء “مصافحة” في منطقة معينة حيث يعمل كل منهما، والمصادقة على إحدى الطرق باستخدام الأخرى، ثم استكشاف المجهول حيث يعمل أحدهما فقط.” ويقول إن إرث تعاون سيمونز في مشكلة الإلكترونات المتعددة هو نهج تعاوني متعدد الأساليب، شارك فيه العديد من علماء كلية المجتمع.

إلى جانب قوانين الحركة الميكانيكية الكمومية، يؤثر عدد الإلكترونات الموجودة على رقعة الشطرنج على فيزياء النموذج. لسنوات، اكتشف الفيزيائيون أنه عندما يكون هناك نفس عدد الإلكترونات مثل المساحات على اللوحة، فإن الإلكترونات تشكل نمطًا منتظمًا من رقعة الشطرنج يتكون من دورات علوية وسفلية متناوبة. هذا النظام ليس فائق التوصيل، بل في الواقع، ليس موصلًا على الإطلاق. لذلك تتطلب النحاسات تغييرًا في عدد الإلكترونات.

في العمل السابق الذي أجراه تشانغ وزملاؤه باستخدام نموذج هوبارد البسيط، لم تؤدي إضافة أو إزالة الإلكترونات إلى الموصلية الفائقة. بدلاً من ذلك، أصبحت رقعة الشطرنج القياسية نمطًا مخططًا، مع خطوط تحتوي على إلكترونات إضافية أو خطوط منقطة تحتوي على ثقوب خلفتها الإلكترونات المحذوفة.

ومع ذلك، عندما أضاف الباحثون عامل هوب قطريًا إلى نموذج هوبارد، امتلأت الخطوط جزئيًا فقط، وظهرت الموصلية الفائقة. كما أن النتيجة تطابقت تقريباً مع النتائج التجريبية على خواص النحاسات.

“هل تتنافس الخطوط بشكل صارم مع الموصلية الفائقة، أم أنها تسبب الموصلية الفائقة، أم أن هناك شيئًا بينهما؟” يسأل الأبيض. “الإجابة الحالية تقع في مكان ما بينهما، وهي أكثر تعقيدا من الإجابات الأخرى.”

يوضح تشانغ التفوق المستمر لنموذج هوبارد والحوسبة “الكلاسيكية”، أي تطوير التقنيات والخوارزميات التي تستفيد بشكل أفضل من أجهزة الكمبيوتر التقليدية بدلاً من انتظار أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

يقول تشانغ: “بعد أكثر من 30 عامًا من الجهود المجتمعية المكثفة دون العديد من الإجابات الموثوقة، غالبًا ما يُقال إننا يجب أن ننتظر الكمبيوتر الكمي لحل نموذج هوبارد”. “لن يؤدي هذا الجهد إلى تطوير الأبحاث في مجال الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية فحسب، بل سيحفز أيضًا إجراء المزيد من الأبحاث باستخدام الحساب “الكلاسيكي” لاستكشاف عجائب العالم الكمي.”