معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) يؤكد وجود توصيلية غير تقليدية في MATTG

التوصيلية الفائقة تحدث عندما تتزاوج الإلكترونات، بدلاً من تشتتها كما يحدث في الموصلات العادية أو في المواد اليومية. تُسمى هذه الإلكترونات المتزاوجة “أزواج كوبر”، مما يخلق تدفقًا مثاليًا للتيار بدون مقاومة.

هذه الخاصية المذهلة تمت ملاحظتها في الموصلات الفائقة عندما يتم تبريدها تحت درجة حرارة “حرجة” محددة. بالإضافة إلى السماح للتيار بالتدفق إلى ما لا نهاية دون فقدان للطاقة، فإن هذه المواد تطرد أيضًا المجالات المغناطيسية، مما يمكنها من الارتفاع.

في حين أن الموصلات الفائقة التقليدية، مثل تلك المصنوعة من الألمنيوم، تتطلب درجات حرارة منخفضة جدًا، يعمل الباحثون بنشاط على تطوير مواد يمكنها أن تكون موصلات فائقة عند درجات حرارة أعلى، أكثر عملية، وهي خطوة قد تُحدث ثورة في مجال الطاقة والتقنيات الكمومية.

حقق الباحثون في MIT الآن هذا الاختراق. لقد لاحظوا فجوة طاقة مميزة على شكل V، مما يشير إلى توصيلية غير تقليدية في جرافين الزاوية السحرية، مما يمثل تقدمًا مهمًا نحو الموصلات الفائقة ذات درجة حرارة الغرفة.

جرافين الزاوية السحرية & ‘التواء الإلكترونيات’: كيف يغيّر دوران الطبقة الفيزياء

منذ اكتشاف جرافين “الزاوية السحرية”، أثار الكثير من الضجة في العالم العلمي، حيث كشف الباحثون عن عدد هائل من الظواهر الكمومية الغريبة التي تتراوح بين حالات العزل المرتبطة والتوصيلية غير التقليدية إلى المغناطيسية القابلة للتعديل والطوريات الطوبولوجية.

في عام 2018، أنشأ فريق من الفيزيائيين في MIT بقيادة بابلو جاريلو-هيريرو أولاً وراقب تأثيرات جرافين الزاوية السحرية.

اكتشفوا خصائص إلكترونية غير عادية، مثل التوصيلية الفائقة، عندما يتم تكديس طبقتين من الجرافين بزاوية محددة جدًا. يُعرف هذا الهيكل الملتوي باسم جرافين ثنائي الطبقة الملتوي بزاوية سحرية، أو MATBG.

الجرافين هو طبقة واحدة من الكربون، بسمك ذرة واحدة فقط ويتميز بشبكة خلية عسل. تشبه ترتيب ذرات الكربون في نمط سداسي الشكل شبكة الدجاج وتظهر قوة ومتانة ملحوظة، بالإضافة إلى القدرة على توصيل الحرارة والكهرباء.

في حين أن جرافين ثنائي الطبقة هو مجموعة من طبقتين تكون فيهما الشبكتان موجهتين بطريقة معينة.

في جرافين ثنائي الطبقة النقي، لاحظ جاريلو-هيريرو وزملاؤه سلوك عازل موت (ظاهرة يصبح فيها المادة عازلة بسبب تفاعل إلكترون-إلكترون القوي، رغم توقع أن تكون موصلًا) عندما تم لف الطبقتين بزاوية سحرية.

هذا أدى إلى تطوير “التواء الإلكترونيات”، تقنية جديدة واعدة لضبط الخصائص الإلكترونية للجرافين عن طريق تدوير الطبقات المتجاورة للمادة.

ثم استخدم الفريق من الباحثين في MIT وجامعة هارفارد وNIMS في اليابان الطريقة لجعل الطبقة الملتوية ثنائية الطبقة موصلًا فائقًا عن طريق تطبيق حقل كهربائي.

مع مرور الوقت، بحث العديد من الباحثين في هياكل جرافين متعددة الطبقات، والتي أظهرت علامات على توصيلية غير تقليدية.

في عام 2021، نجح فيزيائيون من هارفارد في تكديس ثلاث طبقات من الجرافين وتدويرها بزاوية سحرية لت ينتج نظامًا ثلاثيًا يُظهر توصيلية فائقة قوية¹ عند درجات حرارة أعلى من العديد من أنظمة الجرافين ذات الطبقتين. وبما أنه حساس لحقل كهربائي مطبق من الخارج، سمح ذلك للفريق أيضًا بضبط التوصيلية الفائقة عن طريق تعديل قوة الحقل.

ساعدت هذه التجربة العلماء على فهم أن توصيلية هيكل الثلاث طبقات تعود إلى تفاعلات إلكترون-إلكترون القوية، مما يجعلها أكثر صمودًا أمام درجات حرارة أعلى.

في نفس العام، أبلغ باحثون من برينستون عن تشابه مدهش بين توصيلية جرافين الزاوية السحرية وتوصيلية الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية.

باستخدام مجهر القنطرة الماسحة (STM)، وجدوا أن الإلكترونات المتزاوجة تمتلك زخمًا زاويًا محدودًا. كما اهتموا بكيفية تغير سلوك مادة موصلية فائقة عندما يتم إخماد الحالة الفائقة بزيادة الحرارة أو تطبيق حقل مغناطيسي. بينما تنفصل الإلكترونات في الموصلات الفائقة التقليدية، في غير التقليدية لا يزال بعض الترابط محفوظًا.

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يشق طريقًا نحو الموصلات الفائقة ذات درجة حرارة الغرفة

تجعل قدرة الموصلات الفائقة على توصيل الكهرباء بدون مقاومة منها عنصرًا أساسيًا في تقنيات مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، نقل وتخزين الطاقة، الحوسبة المتقدمة، ومسرعات الجسيمات.

لكن الموصلات الفائقة التقليدية تعمل فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا. لذا، يجب إبقاؤها في أنظمة تبريد متخصصة لمساعدتها على الحفاظ على حالتها الفائقة.

إذا تمكنت هذه المواد من أن تكون موصلات فائقة عند درجات حرارة أعلى وأكثر قابلية للوصول، فقد تعيد تعريف الأنظمة التقنية عالميًا. لتحقيق هذا الهدف، يحقق العلماء في MIT في موصلات فائقة غير تقليدية تختلف عن السلوك التقليدي.

مؤخرًا، لاحظ فيزيائيون من MIT هذه الظاهرة في جرافين ثلاثي الطبقة الملتوي بزاوية سحرية (MATTG)، مما قدم تأكيدًا مباشرًا على أن MATTG يمكن أن يستضيف توصيلية غير تقليدية³.

كما أشار جيونغ مين بارك، المؤلف المشارك الرئيسي للدراسة، في الموصلات الفائقة التقليدية، تكون الإلكترونات في ‘أزواج كوبر’ بعيدة جدًا عن بعضها البعض ومربوطة ضعيفة، على عكس جرافين الزاوية السحرية، حيث “كنا نرى بالفعل إشارات على أن هذه الأزواج مرتبطة بإحكام شديد، تقريبًا كجزيء. كانت هناك دلائل على أن هناك شيئًا مختلفًا جدًا في هذه المادة”.

في حين أن الدراسات السابقة قدمت دلائل، لم يتم تأكيدها بدقة. كما أشارت الدراسة، فإن فهم طبيعة التوصيلية الفائقة في جرافين الزاوية السحرية كان تحديًا، حيث تكمن الصعوبة الرئيسية في تمييز فجوة التوصيلية الفائقة.

ومع ذلك، نجح فريق MIT في قياس فجوة التوصيلية الفائقة في MATTG، كاشفًا قوة حالتها الفائقة عند درجات حرارة مختلفة. ما وجدوه كان فجوة في MATTG مختلفة تمامًا عن تلك الموجودة في الموصلات الفائقة التقليدية، مما يشير إلى أن تحول MATTG إلى موصل فائق يعتمد على آلية غير عادية.
اسحب للتمرير →

كما أشار شون سون، المؤلف المشارك الرئيسي للدراسة وطالب دراسات عليا في قسم الفيزياء بمعهد MIT، لا توجد آلية واحدة بل العديد من الآليات المختلفة التي يمكن أن تؤدي إلى توصيلية في المواد، وتُظهر فجوة التوصيلية الفائقة إشارة إلى أي آلية معينة قد تقود إلى موصلات فائقة ذات درجة حرارة الغرفة لتحدث ثورة في الطاقة والتكنولوجيا.

“عندما تصبح المادة موصلًا فائقًا، تتحرك الإلكترونات معًا كأزواج بدلاً من أن تكون منفردة، وهناك فجوة طاقة تعكس مدى ارتباطها. شكل وتناسق تلك الفجوة يخبرنا بالطبيعة الأساسية للتوصيلية الفائقة.”

– بارك

لإثبات اكتشافهم لآلية غير تقليدية، استخدم الفريق نظامًا تجريبيًا جديدًا يتيح لهم ملاحظة مباشرة لكيفية تشكل فجوة التوصيلية الفائقة في المواد ثنائية الأبعاد (2D).

لهذا، استخدم الباحثون مطيافية الأنفاق. في هذه التقنية على المستوى الكمومي، تتصرف الإلكترونات كأمواج وجسيمات في آنٍ واحد، مما يسمح لها “بالنفق” عبر الحواجز التي كانت ستوقفها عادة. من خلال دراسة سهولة نفق الإلكترونات عبر مادة ما، يتعلم الباحثون مدى قوة ارتباطها داخل المادة.

في هذه الحالة، قام الفريق بنفق الإلكترونات بين طبقتين من MATTG لقياس حالتها الفائقة.

ومع ذلك، لا يثبت هذا الأسلوب وحده دائمًا توصيلية المادة، مما يجعل القياس المباشر أمرًا حاسمًا لكنه صعب. لذا، جمع الفريق بين مطيافية الأنفاق وقياسات النقل الكهربائي، التي تتعقب كيفية تدفق التيار عبر المادة مع مراقبة مقاومتها.

استخدم الفريق هذا النهج على MATTG وحدد بوضوح فجوة الأنفاق الفائقة، التي ظهرت فقط عندما وصلت المادة إلى مقاومة صفرية.

عند تغيير درجة الحرارة والحقل المغناطيسي، أظهرت هذه الفجوة منحنى حاد على شكل V بدلاً من النمط السلس والمسطح الذي يُرى عادةً في الموصلات الفائقة التقليدية. وفقًا للدراسة، تختفي الفجوة الفائقة منخفضة الطاقة عند درجة الحرارة الحرجة للموصلية الفائقة والحقل المغناطيسي.

يشير الشكل المميز إلى آلية جديدة تكمن وراء توصيلية MATTG، والتي رغم عدم معرفتها، توضح أن المادة تتصرف فعليًا بشكل مختلف عن أي موصل فائق تقليدي.

في معظم الموصلات الفائقة، تتزاوج الإلكترونات بسبب اهتزازات الشبكة الذرية المحيطة التي تدفعها معًا. لكن في MATTG، يقول بارك، قد يكون الاقتران نتيجة لتفاعلات إلكترونية قوية، مما يعني أن “الإلكترونات نفسها تساعد بعضها البعض على التزاوج، مكونة حالة موصلية فائقة ذات تماثل خاص”.

ستُستخدم التقنية التي مكنت الفريق من ملاحظة الفجوة الفائقة مباشرةً، وهي الجمع بين مطيافية الأنفاق وقياسات النقل، الآن لدراسة مواد مختلفة ملتوية ومطبقة.

مع الإعداد الذي يسمح للفريق بـ “تحديد ودراسة الهياكل الإلكترونية الأساسية للتوصيلية الفائقة والطوريات الكمومية الأخرى كما تحدث، داخل العينة نفسها”، أشار بارك إلى أن “هذه النظرة المباشرة يمكن أن تكشف كيف تتزاوج الإلكترونات وتتنافس مع حالات أخرى، مما يمهد الطريق لتصميم والتحكم في موصلات فائقة جديدة ومواد كمومية قد تُشغل يومًا ما تقنيات أكثر كفاءة أو حواسيب كمومية”.

سيستخدمون أيضًا هذا الإعداد التجريبي لدراسة MATTG وغيرها من المواد ثنائية الأبعاد بمزيد من التفصيل للعثور على مرشحين جدد واعدين للتقنيات المتقدمة.

“قال المؤلف الرئيسي للدراسة، جاريلو-هيريرو، الأستاذ سيسيل وإيدا غرين في الفيزياء بمعهد MIT: “فهم موصل فائق غير تقليدي واحد جيدًا قد يحفز فهمنا للبقية”. “هذا الفهم قد يوجه تصميم موصلات فائقة تعمل عند درجة حرارة الغرفة، على سبيل المثال، وهو ما يُعد بمثابة الكأس المقدسة للمجال بأكمله”.

دور الهندسة الكمومية في جعل الإلكترونات سائلة فائقًا

في حين أن اكتشاف MIT الأخير في جرافين ثلاثي الطبقة بزاوية سحرية يمثل قفزة كبيرة نحو فهم التوصيلية غير التقليدية، تساعد الدراسات المكملة أيضًا في ملء التفاصيل الرئيسية، مثل مدى سهولة تدفق أزواج الإلكترونات عبر هذه المواد.

من المعروف أن الإلكترونات في المواد الفائقة تتحرك بلا احتكاك، لكن مدى سهولة تدفق أزواج الإلكترونات يعتمد على عوامل مثل كثافتها. يصف مصطلح “صلابة السائل الفائق” مدى مقاومة نظام موصل فائق للتغييرات في تدفق أزواج الإلكترونات، مما يجعله مؤشرًا رئيسيًا على التوصيلية الفائقة.

في وقت سابق من هذا العام، قاس الفيزيائيون في MIT وجامعة هارفارد مباشرةً صلابة السائل الفائق في جرافين الزاوية السحرية⁴ لفهم أفضل لكيفية توصيلية المادة.

مع هذه الدراسة، كان الهدف هو تحديد الآلية المسؤولة عن التوصيلية الفائقة في جرافين الزاوية السحرية، والتي تُحدد أساسًا بواسطة الهندسة الكمومية، أو “شكل” الحالات الكمومية في المادة.

الآن، لقياس صلابة السائل الفائق مباشرةً، طور الفريق تقنية تجريبية جديدة يمكن أيضًا استخدامها لإجراء قياسات مماثلة لمواد فائقة ثنائية الأبعاد أخرى، حيث “هناك عائلة كاملة… تنتظر أن تُستكشف”.

في مواد مثل MATBG، يمكن لاقتران الإلكترونات، أي أزواج كوبر، أن يشكل سائلًا فائقًا، مما يعني أنها يمكن أن تتحرك عبر المادة كتيار بلا جهد. ولكن رغم عدم وجود مقاومة، لا يزال من الضروري تطبيق دفعة على شكل حقل كهربائي لجعل التيار يتحرك.

“تشير صلابة السائل الفائق إلى مدى سهولة تحريك هذه الجسيمات، من أجل دفع التوصيلية الفائقة.“

– جويل وانغ، عالم أبحاث في مختبر أبحاث الإلكترونيات (RLE) بمعهد MIT

عادةً ما تُقاس صلابة السائل الفائق باستخدام طرق تضع المادة الفائقة داخل رنان ميكروويف، وهو جهاز يتردد عند ترددات الميكروويف. في رنان الميكروويف، تعدل المادة كلًا من تردد الرنين والحث الحركي بما يتناسب مع صلابة السائل الفائق.

لكن هذه التقنيات كانت متوافقة فقط مع عينات أكبر وأسمك بمقدار 10 إلى 100 مرة من MATBG، مما يعني أن نهجًا جديدًا مطلوب لقياس صلابة السائل الفائق في الموصلات الفائقة الرقيقة ذريًا.

الآن، التحدي في القيام بذلك مع مادة حساسة للغاية مثل MATBG هو ربطها بسطح رنان الميكروويف دون إفساد نعومتها. وهذا يعني إنشاء “اتصال مثالي بلا خسائر – أي موصل فائق – بين المادتين”، وإلا سيتدهور إشارة الميكروويف المرسلة أو ستنعكس فقط.

لذلك، قام الفريق أولاً بتجميع MATBG باستخدام تقنيات تصنيع قياسية ثم أغلقه بين ورقتين عازلتين من بورون نيتريد السداسي للحفاظ على هيكله الذري الدقيق وخصائصه الجوهرية.

كان الرنان مصنوعًا في الغالب من الألمنيوم، مع إضافة كمية صغيرة من MATBG في النهاية. للاتصال بـ MATBG، نقّحه الفريق بشكل حاد جدًا، مكشفًا جانبًا من MATBG المقطوع حديثًا، حيث تم ترسيب الألمنيوم لت “إنشاء اتصال جيد وتكوين طرف ألمنيوم”، والذي تم ربطه بالرنان الميكروويفي الألمنيومي الأكبر.

أرسل الفريق إشارة ميكروويف عبر هذا الرنان، وقاس التحول الناتج في تردد الرنين، واستنتج الحث الحركي لـ MATBG. عند تحويل الحث المقاس إلى قيمة صلابة السائل الفائق، وجد الفريق أنها أكبر بكثير مما كانت تتوقعه نظريات التوصيلية الفائقة التقليدية.

“رأينا زيادة بعامل عشرة في صلابة السائل الفائق مقارنةً بالتوقعات التقليدية، مع اعتماد على درجة الحرارة يتوافق مع ما تتنبأ به نظرية الهندسة الكمومية،” قالت المؤلفة المساعدة ميكو تانكا. “كان هذا “دليلًا قاطعًا” يشير إلى دور الهندسة الكمومية في التحكم في صلابة السائل الفائق في هذه المادة ثنائية الأبعاد.“

الاستثمار في تقنية الموصلات الفائقة

American Superconductor Corporation (AMSC ) هي شركة تكنولوجيا طاقة تصنع أنظمة موصلات فائقة متقدمة. تركز على تسويق التقنيات الفائقة القائمة وتطبيقها في شبكات الطاقة الحقيقية وتطبيقات البحرية.

AMSC هي مزود رائد لحلول مرونة الطاقة بمقاس ميجاواط، بما في ذلك Gridtec وMarinetec وWindtec.

من خلال هذه الحلول، توفر الشركة أنظمة شبكة متقدمة لتحسين أداء الشبكة والكفاءة والموثوقية، وحلول الدفع وإدارة الطاقة لتعزيز جودة الطاقة وسلامة التشغيل، وأنظمة التحكم الإلكتروني لتوربينات الرياح.