Robust two-dimensional surface superconductivity and vortex lattice in the Weyl semimetal $γ$-PtBi$_2$

في عالم المواد الكمومية الغريب، لا تتصرف الإلكترونات دائمًا مثل الجسيمات التي نراها في حياتنا اليومية. فأحيانًا، تنظم نفسها في أنماط محمية بفضل الشكل الجوهري لبنية المادة، مما يخلق حالات مستقرة للغاية ضد الاضطراب. ومن بين هذه الحالات، تبرز أشباه معادن "ويل" (Weyl semimetals)، وهي فئة من البلورات حيث تتحرك الإلكترونات كما لو لم يكن لها كتلة، متتبعة مسارات عبر المادة ترتبط رياضيًا بنقاط في مشهد الطاقة تُسمى "نقاط ويل". وتتمثل إحدى الميزات الفريدة لهذه المواد في أن بنيتها الإلكترونية الداخلية تفرض وجود مسارات خاصة على السطح نفسه، تُعرف باسم "أقواس فيرمي" (Fermi arcs). تعمل هذه الأقواس كجسور تربط النقاط الداخلية، وقد تساءل العلماء طويلاً عما إذا كانت هذه المسارات السطحية يمكن أن تستضيف نوعًا مختلفًا من النظام: الموصلية الفائقة. والموصلية الفائقة هي حالة تتدفق فيها الكهرباء دون أي مقاومة على الإطلاق، لكنها تتطلب عادةً أن يكون كامل جسم المادة باردًا بما يكفي. والسؤال الذي حير الباحثين هو ما إذا كان هذا التدفق الخالي من الاحتكاك يمكن أن يوجد فقط على "جلد" المادة، بشكل مستقل عن بقيتها، وما إذا كان قويًا بما يكفي ليكون مفيدًا للتقنيات الكمومية المستقبلية.

لقد قدم فريق من الباحثين الآن إجابة واضحة على هذا السؤال من خلال دراسة بلورة محددة تُسمى "جاما بلاتينوم بي-2" (gamma-PtBi2). هذه المادة عبارة عن مركب طبقي مكون من البلاتين والبزموت، وهي تشكل طبيعيًا شبه معدن "ويل". وبينما أشارت دراسات سابقة إلى أن سطح هذه البلورة قد يصبح موصلًا فائقًا عند درجات حرارة أعلى بكثير من داخلها، إلا أن الأدلة كانت غير مكتملة. فقد رصدت تجارب سابقة علامات على وجود "فجوة طاقة"، وهي سمة مميزة للموصلية الفائقة، لكنها فشلت في إيجاد الدليل الأكثر حسمًا: وجود "الدوامات المغناطيسية" (magnetic vortices). في الموصل الفائق، عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي، فإنه لا يخترق المادة بشكل موحد، بل ينضغط عبر أنابيب صغيرة مكممة تُسمى "دوامات"، والتي ترتب نفسها في شبكة منتظمة. وبدون رؤية هذه الدوامات، كان من المستحيل التأكد من أن الإلكترونات السطحية تعمل حقًا كـ "سائل" موصل فائق واحد ومتماسك.

ولحسم هذا الأمر، لجأ الباحثون إلى أداة قوية تُسمى "مجهر المسح النفقي" (scanning tunneling microscope)، والذي يستخدم رأسًا حادًا للغاية لرسم خريطة لسطح المادة ذرة بذرة. قاموا بتبريد عيّنتهم إلى درجة حرارة تبلغ 0.1 كلفن فقط، وهي درجة حرارة أبرد من أعماق الفضاء، ووضعوها تحت مجالات مغناطيسية لمراقبة كيفية استجابة الإلكترونات. وما وجدوه هو حالة توصيل فائقة قوية تعيش حصريًا على السطح. لقد قاموا بقياس درجة حرارة حرجة بلغت 2.9 كلفن، وهي النقطة التي تظهر تحتها الموصلية الفائقة، ورصدوا فجوة فائقة التوصيل تتصرف تمامًا كما تتنبأ بها النظرية القياسية. والأهم من ذلك، نجحوا في تصوير الدوامات المغناطيسية؛ حيث ظهرت هذه الدوامات كنقاط متميزة في خرائطهم، مرتبة نفسها في نمط سداسي مع زيادة المجال المغناطيسي. أكد هذا الرصد أن الإلكترونات على السطح لا تعمل فقط بشكل فردي، بل هي مترابطة في حالة كمومية عيانية، قادرة على الحفاظ على طور موحد عبر السطح بأكمله.

اكتشف الباحثون أيضًا أن سلوك هذه الدوامات يعتمد بشكل كبير على ملمس السطح. فعلى المناطق المسطحة تمامًا والملساء ذريًا، كانت الدوامات مراوغة بشكل مثير للدهشة، حيث بدت غالبًا وكأنها تتحرك أو تختفي تمامًا. ومع ذلك، على البقع الصغيرة والخشنة قليلاً من السطح التي لا يتجاوز سمكها بضعة نانومترات، أصبحت الدوامات مثبتة في مكانها، مشكلة شبكة مستقرة ومرئية. وافترض الفريق أن الرقة الشديدة للطبقة فائقة التوصيل على الأسطح المستوية تجعل الدوامات حساسة جدًا للمجال الكهربائي لرأس المجهر أو للطاقة الحرارية، مما يسبب انزلاقها بسرعة كبيرة تمنع رؤيتها. وفي المقابل، وفرت البقع الأكثر سمكًا قليلًا "قبضة" كافية لتثبيت الدوامات مستقرة. ساعد هذا التمييز في تفسير سبب فشل التجارب السابقة في رؤية شبكة الدوامات؛ إذ كانوا ينظرون على الأرجح إلى الأجزاء الأكثر نعومة من السطح حيث كانت الدوامات شديدة الحركة بحيث لا يمكن التقاطها.

وكشفت المزيد من التحقيقات أن هذه الموصلية الفائقة السطحية مرتبطة مباشرة بالطبيعة الطوبولوجية للمادة. ومن خلال تحليل كيفية تشتت الإلكترونات عن الشوائب على السطح، تتبع الباحثون أنماط التشتت وصولاً إلى "أقواس فيرمي"، مؤكدين أن فجوة التوصيل الفائق تفتح تحديدًا على هذه المسارات الطوبولوجية. يشير هذا إلى أن البنية الإلكترونية الفريدة لشبه معدن "ويل" ليست مجرد ميزة خلفية، بل هي المحرك الفعلي للموصلية الفائقة. كما أظهرت الدراسة "تأثير جوزيفسون" (Josephson effect)، حيث يتدفق تيار فائق بين العينة ورأس مجهر فائق التوصيل، مما يثبت أن طور الموجة فائقة التوصيل محدد ومتماسك. وبينما يظل جسم البلورة معدنًا عاديًا بلا موصلية فائقة حتى درجة 0.5 كلفن، يقف السطح كـ "موصل فائق" ثنائي الأبعاد ومتميز.

تقدم هذه النتائج لمحة نادرة عن حالة من المادة حيث تندمج الطوبولوجيا والموصلية الفائقة على السطح. لاحظ الباحثون أن حجم فجوة التوصيل الفائق كان متسقًا مع درجة حرارة حرجة قدرها 2.9 كلفن، وأن الحد الأعلى للمجال المغناطيسي الذي يمكن أن يتحمله السطح قبل أن يفقد موصليته الفائقة بلغ حوالي 1.8 تسلا. هذه الأرقام محددة وقابلة للتكرار، على عكس التقارير السابقة التي اقترحت درجات حرارة أعلى بكثير أو فجوات تتباين بشكل كبير. يؤكد هذا العمل أن مادة "جاما بلاتينوم بي-2" تحتوي على حالة توصيل فائقة حقيقية ثنائية الأبعاد مرتبطة بأقواس فيرمي الخاصة بها. وبينما لا تثبت الدراسة بعد وجود جسيمات غريبة مثل "أنماط مايورانا" (Majorana modes) داخل الدوامات، إلا أنها تضع الشروط اللازمة لوجودها وتوفر منصة مستقرة للبحث عنها. ومن خلال إثبات أن شبه معدن طوبولوجي يمكنه دعم طبقة سطحية فائقة التوصيل قوية ومتماسكة، يفتح هذا البحث بابًا جديدًا لفهم كيفية هندسة المواد الكمومية لاستضافة حالات جديدة من المادة، مما قد يمهد الطريق لمكونات أكثر استقرارًا في الأجهزة الكمومية المستقبلية.