علماء الفيزياء يستخدمون نبضات ليزر فائقة السرعة لقياس الحد الأقصى للموصلات الفائقة

نجح باحثون في معهد ماكس بلانك لبنية وديناميكيات المادة (MPSD) في مدينة هامبورغ الألمانية في قياس «حد فك الارتباط» الأقصى للموصلات الفائقة، وذلك باستخدام نبضات ليزر فائقة السرعة لتجاوز العمليات الكمومية المسببة للاضطرابات. وأتاحت الدراسة، التي نُشرت في دورية Nature Physics، لعلماء الفيزياء مراقبة النقطة الدقيقة التي تتمزق عندها الإلكترونات المتشابكة التي تتيح التوصيل الفائق، والمعروفة باسم أزواج كوبر (Cooper pairs).

تُمثل الموصلات الفائقة أساساً لتقنيات متقدمة مثل القطارات المغناطيسية المعلقة، ومصادمات الجسيمات، والأجهزة الطبية. ومع ذلك، يجب تبريد هذه المواد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية لتوصيل الكهرباء دون مقاومة. وفي الموصلات الفائقة من النوع الثاني، تنتشر المجالات المغناطيسية الداخلية على شكل زوابع كهربائية صغيرة تُعرف باسم الدوامات الكمومية (Quantum vortices). وعندما يصبح التيار الكهربائي قوياً جداً، فإنه يتسبب في تحريك هذه الدوامات، مما يولد مقاومة وحرارة توقف حالة التوصيل الفائق.

ولقياس حد فك الارتباط قبل حدوث هذه الاضطرابات، كان على الباحثين تجاوز سرعة الدوامات التي تتحرك بعشرات الكيلومترات في الثانية. ويوضح الباحث الرئيسي Eryin Wang أن استراتيجية الفريق تمثلت في التفوق على ديناميكيات هذه الدوامات. وطوّر الفريق دائرة بصرية كهربائية تطلق نبضات ليزر خضراء تستمر لمدة 300 فيمتوثانية (جزء من الكدريليون من الثانية) نحو مفتاح يحول النبضة البصرية إلى نبضة تيار كهربائي تستمر لبيكوثانية (جزء من التريليون من الثانية)، مما أتاح تجاوز ديناميكيات الدوامات الأبطأ التي تسبب المقاومة.

اختبر الفريق مادتين مختلفتين من الموصلات الفائقة: نيتريد النيوبيوم (NbN) وموصلاً فائقاً عالي الحرارة من عائلة أكسيد النحاس والباريوم والإيتريوم (YBCO). واختيرت هذه المواد لاختلاف تناظر الفجوة الخاص بها، والذي يحدد مدى سهولة تمزيق إلكتروناتها المزدوجة. وتتميز مادة NbN بتناظر فجوة من نوع s-wave، حيث تكون الطاقة اللازمة لفك تشابك أزواج كوبر متساوية في جميع اتجاهات فضاء الزخم. في المقابل، تمتلك مادة YBCO تناظراً من نوع d-wave، مما يعني أن فجوة الطاقة الخاصة بها تختلف بشكل كبير وتختفي في اتجاهات معينة.

وخلال الاختبارات، حافظت مادة NbN على حالة التوصيل الفائق حتى وصل التيار الكهربائي المطبق إلى حد معين، وعند هذه النقطة تفككت أزواج كوبر وتوقف التوصيل الفائق فجأة. أما مادة YBCO، فقد أظهرت ضعفاً تدريجياً في حالة التوصيل الفائق.

تشير نتائجنا إلى أن النقل في نطاق البيكوثانية يمكن أن يوفر وصولاً إلى الخصائص المجهرية للموصلات الفائقة، بما في ذلك تناظر الفجوة الخاص بها، وهي خصائص لا يمكن الوصول إليها مباشرة من خلال نقل التيار المستمر التقليدي.

Andrea Cavalleri، قائد مجموعة ديناميكيات المادة المكثفة، معهد MPSD

يوفر هذا النهج الجديد إطاراً لاختبار الخصائص الرئيسية للمواد فائقة التوصيل في أطرها الزمنية الأساسية. ومن خلال تطبيق نبضات التيار فائقة السرعة على مجموعة متنوعة من الموصلات الفائقة، يمكن للباحثين الكشف عن خصائص جوهرية مثل تناظر الفجوات واستقرار أزواج كوبر. ويشير Jianqiao Meng، أستاذ الفيزياء في جامعة Central South والذي لم يشارك في الدراسة، إلى أن هذا العمل يبرز إمكانات نبضات التيار فائقة السرعة كأداة جديدة وقوية للوصول إلى الخصائص الجوهرية للموصلات الفائقة.

كُتب هذا المقال بالذكاء الاصطناعي اعتماداً على ما نشره: sciencealert.com.