“لم نشهد هذا من قبل” – الموصل الفائق البلوري الجديد هو الأغرب من نوعه

كشفت دراسة جديدة أن PtBi₂، وهي بلورة عادية المظهر، وتستضيف شكلاً جديدًا تمامًا من الموصلية الفائقة المحصورة في أسطحها العلوية والسفلية.

شيء غير عادي يحدث داخل مركب البلاتين-البزموت-2 (PtBi₂). يُظهر بحث جديد أجراه العلماء في IFW Dresden ومجموعة التميز ct.qmat أنه على الرغم من أن PtBi₂ يبدو أنها بلورة معدنية قياسية، وتتصرف الإلكترونات بداخلها بطرق لم يتم ملاحظتها من قبل في المواد الأخرى.

في 2024، اكتشفت نفس المجموعة أن السطحين العلوي والسفلي لـ PtBi₂ تصبح فائقة التوصيل، مما يعني أن الإلكترونات الموجودة على هذه الأسطح تقترن وتتحرك دون مقاومة. تشير أحدث النتائج التي توصلوا إليها إلى أن هذا الاقتران يتبع قواعد تختلف عن تلك الخاصة بأي موصل فائق معروف. والأكثر إثارة للاهتمام هو أن الحواف المحيطة بهذه المناطق فائقة التوصيل تستضيف جسيمات ماجورانا بعيدة المنال، والتي يمكن أن تكون بمثابة بتات كمومية (qubits) متسامحة مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية.

ثلاث خطوات لموصل فائق طوبولوجي فريد من نوعه

يمكننا تحطيم PtBi₂الموصلية الفائقة الغريبة في ثلاث خطوات.

أولاً، تقتصر إلكترونات معينة على الأسطح العلوية والسفلية للمادة. يمثل هذا السلوك خاصية “طوبولوجية” لـ PtBi₂تم إنشاؤها بواسطة الطريقة التي تتفاعل بها الإلكترونات مع الترتيب المنظم للذرات في البلورة. السمات الطوبولوجية مستقرة للغاية: فهي تظل دون تغيير ما لم يتم تغيير التناظر العام للمادة، إما عن طريق تعديل البنية البلورية أو عن طريق تطبيق مجال كهرومغناطيسي.

في بتبي₂فإن الإلكترونات المحصورة على السطح العلوي لها دائمًا نظيرات متطابقة على السطح السفلي، بغض النظر عن عدد الطبقات الذرية التي تفصل بينها. إذا تم قطع البلورة إلى قسمين، فإن كل سطح مكشوف حديثًا سيطور بشكل طبيعي مجموعته التكميلية من الإلكترونات المحصورة بالسطح.

ثانيًا، تقترن هذه الإلكترونات الموجودة على السطح عند درجات حرارة منخفضة، مما يسمح لها بالتحرك دون أي مقاومة. أما بقية الإلكترونات فلا تقترن، وتستمر في التصرف كما تفعل الإلكترونات العادية. وهذا يجعل PtBi₂ شطيرة موصلة فائقة طبيعية، مع أسطح علوية وسفلية فائقة التوصيل وجزء داخلي معدني عادي.

الطبيعة الطوبولوجية للإلكترونات السطحية تجعل PtBi₂ أ طوبولوجي موصل فائق. لا يوجد سوى عدد قليل من المواد المرشحة الأخرى التي يُعتقد أنها تمتلك موصلية فائقة طوبولوجية جوهرية، وحتى الآن لم يتم دعم أي منها بأدلة تجريبية متسقة أو قاطعة بشكل مقنع.

أخيرًا، تكشف قياسات جديدة عالية الدقة فريدة من نوعها من مختبر الدكتور سيرجي بوريسينكو في معهد لايبنيز لأبحاث الحالة الصلبة والمواد (IFW Dresden) أنه ليست كل الإلكترونات المرتبطة بالسطح تتزاوج بشكل متساوٍ. ومن اللافت للنظر أن الإلكترونات السطحية التي تتحرك في ستة اتجاهات متناظرة ترفض بشدة أن تقترن. تعكس هذه الاتجاهات تماثل الدوران الثلاثي لكيفية ترتيب الذرات على سطح المادة.

في الموصلات الفائقة العادية، تتزاوج جميع الإلكترونات بغض النظر عن الاتجاه الذي تتحرك فيه. بعض الموصلات الفائقة غير التقليدية، مثل مواد النحاسات المشهورة بأنها تصبح فائقة التوصيل عند درجات الحرارة المرتفعة، لديها اقتران أكثر تقييدًا مع تناظر دوراني يبلغ أربعة أضعاف. بتبي₂ هو أول موصل فائق يظهر اقترانًا مقيدًا بتناظر دوراني يبلغ ستة أضعاف.

“لم نر هذا من قبل. ليس فقط PtBi₂ يقول بوريسينكو: “يقول بوريسينكو: “هو موصل فائق طوبولوجي، لكن اقتران الإلكترون الذي يحرك هذه الموصلية الفائقة يختلف عن جميع الموصلات الفائقة الأخرى التي نعرفها. “نحن لا نفهم حتى الآن كيف يحدث هذا الاقتران”.

حواف تحبس جزيئات ماجورانا بعيدة المنال

وتؤكد الدراسة الجديدة أيضًا أن PtBi₂ يقدم طريقة جديدة لإنتاج جزيئات ماجورانا التي طال انتظارها.

“تُظهر حساباتنا أن الموصلية الفائقة الطوبولوجية في PtBi₂ يقوم تلقائيًا بإنشاء جزيئات ماجورانا المحاصرة على طول حواف المادة. من الناحية العملية، يمكننا صنع حواف متدرجة في البلورة بشكل مصطنع، لإنشاء العدد الذي نريده من ماجورانا،” يشير البروفيسور جيروين فان دن برينك، مدير معهد IFW لفيزياء الحالة الصلبة النظرية والباحث الرئيسي في مجموعة فورتسبورغ-دريسدن للتميز ct.qmat.

يعمل زوج من جسيمات ماجورانا كإلكترون واحد، لكنهما يتصرفان بشكل مختلف تمامًا بشكل فردي. إن مفهوم “انقسام الإلكترونات” هو أساس الطوبولوجية الحوسبة الكمومية، والتي تهدف إلى بناء كيوبتات أكثر استقرارًا. إن فصل أزواج جسيمات ماجورانا يحميها من الضوضاء والأخطاء.

الآن بعد أن PtBi₂تم العثور على الموصلية الفائقة الفريدة وجسيمات ماجورانا ذات الصلة، والخطوة التالية هي التحكم فيها. على سبيل المثال، سيؤدي تخفيف المادة إلى تغيير “حشوة الساندويتش” غير فائقة التوصيل، مما قد يحولها من معدن موصل إلى عازل. وهذا يعني أيضًا أن الإلكترونات غير فائقة التوصيل لا يمكنها التدخل في استخدام الماجورانا ككيوبتات. وبدلاً من ذلك، سيؤدي تطبيق مجال مغناطيسي إلى تغيير مستويات طاقة الإلكترون، وقد يؤدي، على سبيل المثال، إلى تحرك جسيمات ماجورانا من حواف المادة إلى زواياها.

المرجع: “الموصلية الفائقة للموجة العقدية الطوبولوجية في PtBi₂بقلم سوسميتا تشانغدار، وأولكسندر سوفوروف، وأندري كويباروف، وسيتي ثيروباثايا، وغريغوري شيبونوف، وسيشاران أسوارثام، وسابين ورمهل، وإرينا كوفالتشوك، وكلاوس كوبرنيك، وكارستن تيم، وبيرند بوشنر، وأيون كوزما فولغا، وسيرجي بوريسينكو، وجيروين فان دن برينك، 19 نوفمبر/تشرين الثاني 2025, طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-025-09712-6

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.