Why is Superconductivity absent in bulk Infinite-layer Nickelates?

على مدى عقود، طارد علماء الفيزياء نوعاً معيناً من السحر الكهربائي: القدرة على تدفق الكهرباء عبر مادة ما دون أي مقاومة على الإطلاق. هذه الظاهرة، المعروفة باسم الموصلية الفائقة، تتطلب عادةً تبريد المواد إلى درجات حرارة باردة جداً لدرجة أنها تكاد تلامس الصفر المطلق. ومع ذلك، فإن عائلة من المواد تسمى "الكوبرات" (cuprates)، والتي تحتوي على النحاس، قد كسرت هذه القاعدة من خلال التحول إلى موصلات فائقة عند درجات حرارة أعلى بكثير وأكثر قابلية للتحكم. وقد أثار هذا الاكتشاف رحلة بحث استمرت عقوداً للعثور على عائلات أخرى من المواد التي يمكنها فعل الشيء نفسه، آملين أن يؤدي فهمها إلى الكشف عن الآلية السرية وراء الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية. وقد ظهر مرشح واعد في شكل "النيكلّات" (nickelates)، وهي مواد تحتوي على النيكل وتبدو مشابهة هيكلياً للكوبرات القائمة على النحاس. وعندما صنع العلماء أغشية رقيقة من هذه النيكلّات وقاموا بتطعيمها بعنصر محدد، نجحوا في ملاحظة الموصلية الفائقة. ومع ذلك، ظهر تناقض محير: عندما حاولت فرق أخرى إنشاء نفس المادة تماماً في شكل كتل ضخمة (bulk) بدلاً من الأغشية الرقيقة، اختفت الموصلية الفائقة تماماً.

أدى هذا الغموض بفريق من الباحثين إلى التحقيق في سبب فشل العينات الضخمة بينما نجحت الأغشية الرقيقة. واقترحوا أن الفرق لا يعود إلى الركيزة (substrate) أو الواجهة حيث يستقر الغشاء الرقيق، كما تكهن البعض، بل يعود إلى عيوب دقيقة متأصلة في عملية التصنيع للعينات الضخمة. ومن خلال مزيج من النمذجة المغناطيسية والمحاكاة الحاسوبية، اكتشف الفريق أن العينات الضخمة تحتوي على جزر مجهرية من معدن النيكل النقي تتشكل جنباً إلى جنب مع المادة الأساسية. ولأن النيكل النقي مغناطيسي، فإن هذه الجزر الصغيرة تعمل مثل مغناطيسات مصغرة منتشرة في أنحاء العينة. وقد حسب الباحثون أن المجال المغناطيسي الناتج عن هذه التجمعات قوي بما يكفي لتعطيل الحالة الدقيقة المطلوبة للموصلية الفائقة، مما يقضي عليها فعلياً قبل أن تبدأ.

بدأ التحقيق بمعالجة نقاش طويل الأمد حول دور السطح الذي تُنمى عليه الأغشية الرقيقة. فقد اقترح بعض العلماء أن الموصلية الفائقة في الأغشية الرقيقة هي ظاهرة واجهة، مما يعني أنها تحدث فقط حيث تلمس المادة الركيزة. ومع ذلك، أشار المؤلفون إلى أن التجارب التي تقيس طرد المجالات المغناطيسية أكدت أن الركيزة لا تشارك مباشرة في آلية الموصلية الفائقة. وبدلاً من ذلك، تحول التركيز إلى الجودة الداخلية للمادة نفسها. وقد ذكر سابقاً أن عينات النيكلّات الضخمة تعاني من نقص في ذرات النيكل في مناطق معينة، وأن ذرات النيكل المفقودة لا تختفي ببساطة، بل تتجمع لتشكل تجمعات متميزة، يصل حجم بعضها إلى بضعة ميكرومترات، وتظل محاصرة بين حبيبات المادة الأساسية.

لفهم تأثير هذه التجمعات، عاملها الباحثون كمغناطيسات حديدية صغيرة، بما أن النيكل معدن مغناطيسي. وقدروا حجم هذه التجمعات بنصف قطر يبلغ حوالي ميكرومتر واحد وحسبوا المجال المغناطيسي الذي ستنتجه. وباستخدام نموذجين فيزيائيين مختلفين لوصف كيفية سلوك هذه المجالات المغناطيسية، وجدوا أنه حتى على مسافة عشرة ميكرومترات من التجمع، يظل المجال المغناطيسي قوياً، حيث يصل إلى قيم في نطاق "الميلي تسلا". وهذا اكتشاف حاسم لأن العتبة التي تنهار عندها الموصلية الفائقة في هذه المواد منخفضة للغاية، حيث سُجلت عند 0.79 ميلي تسلا فقط. والمجالات المغناطيسية الناتجة عن تجمعات النيكل أقوى بعدة مراتب من هذا الحد، مما يعني أنه في حال وجود هذه التجمعات، فإنها تخلق بيئة مغناطيسية معادية للموصلية الفائقة، وتمنع المادة من دخول تلك الحالة أبداً.

وفي خط بحث موازٍ، استخدم الفريق عمليات محاكاة حاسوبية لفحص كيفية تأثير غياب ذرات النيكل على البنية الإلكترونية للمادة. لقد قاموا بنمذجة المادة مع درجات متفاوتة من نقص النيكل ووجدوا أن الذرات المفقودة تقلل من أهمية مدار إلكتروني محدد، يُعرف بالمدار Ni 3dx2−y2، عند مستوى الطاقة حيث تحدث الموصلية الفائقة. ويُعترى هذا المدار أساسياً للسلوك فائق التوصيل في هذه المواد. وعندما يتضاءل تأثيره بسبب وجود مناطق فقيرة بالنيكل، تفقد المادة مكوناً رئيسياً ضرورياً لحدوث هذه الظاهرة. وهذا يشير إلى أنه حتى لو تمت إزالة التجمعات المغناطيسية، فإن العيوب الكيميائية في العينات الضخمة ستظل تعيق تشكيل حالة الموصلية الفائقة.

يخلص المؤلفون إلى أن غياب الموصلية الفائقة في طبقات النيكل اللانهائية الضخمة يعود على الأرجى إلى مزيج من هذين العاملين. فالمناطق الفقيرة بالنيكل تغير المشهد الإلكتروني بطريقة ضارة بالموصلية الفائقة، بينما تولد ذرات النيكل التي تجمعت في كتل مجالات مغناطيسية قوية بما يكفي لتدمير حالة الموصلية الفائقة تماماً. ويبدو أن هذه العيوب هي نتيجة محددة للطرق الكيميائية المستخدمة حالياً لتصنيع العينات الضخمة، والتي تختلف عن التقنيات المستخدمة لإنتاج الأغشية الرقيقة الناجحة. ويقترح الباحثون أنه إذا تمكنت طرق التصنيع المستقبلية من القضاء على تجمعات النيكل هذه وتصحيح نقص النيكل، فقد يكون من الممكن ملاحظة الموصلية الفائقة في عينات النيكلّات الضخمة، مما يحل أخيراً لغز سبب بقاء العينات السميكة صامتة بينما تغني الأغشية الرقيقة.