علم

ما الذي يحدث حقًا في المواد فائقة التوصيل؟

ما الذي يحدث حقًا في المواد فائقة التوصيل؟


يمكن أن تكون الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية أقرب بخطوة بفضل عمل فريق دولي من علماء الفيزياء. بدراسة الارتباطات المكانية لذرات البوتاسيوم عند درجات حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق ، يمكن أن تساعد ملاحظات الفريق في تحديد الظروف المثالية المطلوبة للحث على الموصلية الفائقة.

[مصدر الصورة:معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا - سامبسون ويلكوكس]

الموصلية الفائقة: وسيلة شبه مثالية لتوصيل الكهرباء في مادة ما عن طريق القضاء على فقد الطاقة. في الوقت الحاضر ، هذه الخاصية المذهلة لبعض المواد ممكنة فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية. إذا كان من الممكن إحداث الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة ، فإن التأثير على الكفاءات المحتملة للطاقة الكهربائية سيكون غير عادي. لكن فهم كيفية حدوث الموصلية الفائقة تعوقه قدرتنا على تصور الظاهرة.

مع وضع هذا في الاعتبار ، صمم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا "محاكاة كمومية" ، باستخدام الذرات لنمذجة سلوك الإلكترونات في مادة صلبة فائقة التوصيل.

أبلغ رئيس الفريق البروفيسور مارتن زويرلين ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "التعلم من هذا النموذج الذري ، يمكننا أن نفهم ما يحدث بالفعل في هذه الموصلات الفائقة ، وما يجب على المرء فعله لصنع موصلات فائقة ذات درجة حرارة أعلى ، ونأمل أن تقترب من درجة حرارة الغرفة."

يعتمد النموذج الذري للفريق على نموذج Fermi-Hubbard لتفاعل الذرات ، وهي نظرية تستخدم عادة لشرح المبادئ الأساسية للموصلية الفائقة. في السابق ، كان الباحثون قادرين فقط على التنبؤ بسلوك الإلكترونات فائقة التوصيل ضعيفة التفاعل باستخدام هذا النموذج. أوضح البروفيسور زويرلين:

هذا سبب كبير لعدم فهمنا للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، حيث تتفاعل الإلكترونات بشدة. لا يوجد جهاز كمبيوتر كلاسيكي في العالم يمكنه حساب ما سيحدث في درجات حرارة منخفضة جدًا لتفاعل [الإلكترونات]. لم يتم أيضًا ملاحظة الارتباطات المكانية الخاصة بهم في الموقع ، لأنه لا يوجد أحد لديه مجهر للنظر في كل إلكترون واحد.

من خلال تبريد ذرات البوتاسيوم التي يتم دراستها إلى عدد قليل من النانو كلفين وحبسها في شبكة يولدها الليزر لإنشاء مستوى ثنائي الأبعاد ، تمكن الباحثون من ملاحظة مواضع وتفاعلات الذرات الفردية. يختلف سلوك الذرات المرصودة تبعًا لكثافة الغاز في كل موضع.

في المناطق ذات الكثافة المنخفضة - باتجاه حافة الشبكة - أصبحت الذرات "غير اجتماعية". يتوافق هذا مع سلوك الإلكترونات الذي نظّره الفيزيائي الشهير في القرن العشرين ولفغانغ باولي ، الذي يصف ما يسمى بـ "ثقوب باولي" ميل الإلكترونات للحفاظ على مجال معين من الفضاء الشخصي. قال Zwierlein: "لقد اقتطعوا مساحة صغيرة لأنفسهم حيث من غير المرجح أن يجدوا رجلاً آخر داخل تلك المساحة".

حدث السلوك المثير حقًا في مناطق ذات كثافة أعلى. لم تسمح الذرات المرصودة بأن تتجمع معًا فحسب ، بل أظهرت أيضًا اتجاهات مغناطيسية متناوبة. أوضح زويرلين: "هذه ارتباطات جميلة ومضادة للمغناطيسية ، مع نمط رقعة الشطرنج - لأعلى ولأسفل ولأعلى ولأسفل."

ومضى ليصف الميل غير العادي لهذه الذرات إلى "القفز فوق بعضها البعض" ، مما ينتج عنه فراغ بجانب زوج مجمّع من الذرات. إن التشابه بين هذا السلوك وهذا السلوك المطلوب - لا يزال نظريًا - للموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية قوي. من الناحية النظرية ، يمكن تحفيز الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة من خلال الحركة غير الاحتكاكية لأزواج الإلكترونات بين المساحات الكبيرة المناسبة في الشبكة. وصفها زويرلين على النحو التالي:

بالنسبة لنا ، تحدث هذه التأثيرات في nanokelvin لأننا نعمل مع الغازات الذرية المخففة. إذا كان لديك جزء كثيف من المادة ، فقد تحدث نفس التأثيرات في درجة حرارة الغرفة.

اقرأ نتائج الفريق في ملفعلم ورقة مجلة.

راجع أيضًا: قد تكون هناك عيوب في نظرية الموصل الفائق

عبر: MIT

بقلم جودي بينز


شاهد الفيديو: The Impact of Graphene