🔬 mesoscale physics

Time-reversal symmetry breaking superconductivity with electronic glass in nickelate (La, Pr, Sm)3Ni2O7 films

تُبلغ هذه الدراسة عن اكتشاف حالة فائقة التوصيل غير مسبوقة لكسر تناظر انعكاس الزمن مصحوبة بديناميكيات زجاجية إلكترونية في أغشية ثنائية الطبقات من النيكلات (La, Pr, Sm)₃Ni₂O₇ ذات الإجهاد الفوقي، وهو ما ثبت من خلال التلاكؤ غير التقليدي للمقاومة المغناطيسية، وعدم التبادلية في غياب المجال، والاسترخاءات المقاومية البطيئة لوغاريتميًا.

المؤلفون الأصليون: Haoran Ji, Zheyuan Xie, Yaqi Chen, Guangdi Zhou, Longxin Pan, Heng Wang, Haoliang Huang, Jun Ge, Yi Liu, Guang-Ming Zhang, Ziqiang Wang, Qi-Kun Xue, Zhuoyu Chen, Jian Wang

نُشر 2026-03-05

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Haoran Ji, Zheyuan Xie, Yaqi Chen, Guangdi Zhou, Longxin Pan, Heng Wang, Haoliang Huang, Jun Ge, Yi Liu, Guang-Ming Zhang, Ziqiang Wang, Qi-Kun Xue, Zhuoyu Chen, Jian Wang

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

الصورة الكبيرة: نوع جديد من الموصلات الفائقة

تخيل أن لديك مادة تنقل الكهرباء بـ مقاومة صفرية. هذه هي الموصل الفائق. عادةً، عندما تتدفق الكهرباء عبر موصل فائق، يكون الأمر أشبه بطريق سريع مثالي حيث يمكن للسيارات (الإلكترونات) أن تنطلق للأبد دون الاصطدام بأي عائق أو فقدان الطاقة.

اكتشف العلماء مؤخرًا عائلة جديدة من الموصلات الفائقة المصنوعة من النيكل (النيكلّات) والتي تعمل في درجات حرارة مرتفعة نسبيًا (رغم أنها لا تزال باردة جدًا بمعايير البشر). ولكن في هذه الدراسة الجديدة، وجد الباحثون شيئًا أكثر غرابة يحدث داخل أغشية النيكل هذه.

لقد اكتشفوا حالة لا تسمح فيها المادة بتدفق الكهرباء فحسب، بل تطور "ذاكرة زجاجية" سرية وغير مرئية تكسر قواعد تناظر الوقت.

العلامات الثلاث الغريبة

وجد الباحثون ثلاث "أعراض" محددة تثبت وجود هذه الحالة الجديدة الغريبة. فكر في الأمر كأن المحقق يجد أدلة في مسرح الجريمة.

1. "ثمالة مغناطيسية" (التلاكؤ - Hysteresis)

التشبيه: تخيل أنك تسير في حقل من الأعشاب الطويلة. إذا مشيت للأمام، ستنحني الأعشاب في اتجاه واحد. وإذا استدرت ومشيت عائدًا، فإن الأعشاب لا تعود لوضعها الأصلي فورًا؛ بل تظل منحنية لفترة من الوقت. المسار الذي تسلكه يعتمد على الاتجاه الذي أتيت منه.

العلم: في المواد العادية، إذا طبقت مجالاً مغناطيسيًا ثم أزلته، تعود المادة تمامًا إلى حالتها الأصلية. لكن في أفلام النيكل هذه، عندما طبقوا مجالاً مغناطيسيًا ثم أعادوا مسحه إلى الصفر، لم تعد المقاومة الكهربائية إلى نفس النقطة، بل سلكت "طريقًا جانبيًا".

لماذا هذا مهم: هذا يثبت أن المادة قد "نسيت" حالتها الأصلية؛ فهي تتذكر المجال المغناطيسي الذي رأتْه للتو. وهذا ما يسمى كسر تناظر انعكاس الزمن. بعبارة بسيطة: الوقت له اتجاه هنا. إذا قمت بتشغيل فيلم حركة الإلكترونات للخلف، فلن يبدو مشابهًا للفيلم وهو يعمل للأمام.

2. "شارع اتجاه واحد" (عدم التبادلية - Non-Reciprocity)

التشبية: تخيل ممرًا من السهل فيه المشي من المطبخ إلى غرفة المعيشة، لكن المشي من غرفة المعيشة إلى المطبخ أصعب بكثير؛ إذ يتعين عليك بذل جهد أكبر للحصول على نفس النتيجة.

العلم: أرسل الباحثون تيارًا كهربائيًا عبر الغشاء في اتجاهين: للأمام وللخلف. ووجدوا أن المادة تقاوم التيار بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاه تدفقه، حتى في حالة عدم تطبيق أي مجال مغناطيسي.

لماذا هذا مهم: هذا يشبه "الديود فائق التوصيل" (Superconducting Diode). إنه شارع ذو اتجاه واحد للكهرباء يظهر تلقائيًا. وهذا يؤكد أن المادة تمتلك بنية مغناطيسية داخلية تكسر تناظر المكان والزمان.

3. "الزجاج بطيء الحركة" (الديناميكيات الزجاجية - Glassy Dynamics)

التشبيه: فكر في العسل. إذا حركت العسل ثم توقفت، فإنه لا يتوقف عن الحركة فورًا، بل يستمر في التدفق ببطء شديد حتى يتوقف تمامًا. الآن تخيل أن هذا العسل مكون من مغناطيسات صغيرة تتصارع جميعها مع بعضها البعض، وتتعثر في فوضى متجمدة ومبعثرة.

العلم: عندما أوقفوا المجال المغناطيسي، لم تستقر المقاومة الكهربائية فورًا، بل ظلت تتغير ببطء شديد لساعات، متبعة نمطًا "لوغاريتميًا" (تتباطأ لكنها لا تتوقف تمامًا).

لماذا هذا مهم: هذا هو السمة المميزة لـ الإلكترونات الزجاجية (Electronic Glass). في البلورة العادية، تكون الذرات مرتبة ومنظمة. أما في "الزجاج"، فتكون الذرات غير منظمة وعالقة. هنا، الإلكترونات نفسها عالقة في حالة غير منظمة ومتجمدة، وتتصرف مثل الزجاج.

"المكون السحري": الأكسجين

قام الباحثون بخدعة على المادة: قاموا بإزالة ذرات الأكسجين من الغشاء ببطء.

النتيجة: مع إزالة الأكسجين، ضعفت كل من الموصلية الفائقة (طريق السريع ذو المقاومة الصفرية) و"السلوك الزجاجي الغريب" (الثمالة المغناطيسية) واختفيا في النهاية.
الاستنتاج: يخبرنا هذا أن الحالة "الزجاجية" والموصلية الفائقة هما صديقان حميمان؛ فهما مرتبطان بنفس الإلكترونات (المدارات) المحددة في ذرات النيكل. إذا عبثت بالأكسجين، فإنك تكسر الرابط بين الموصلية الفائقة وهذه الحالة الزجاجية الجديدة.

لماذا يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية؟

لعقود من الزمن، حاول العلماء فهم الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (مثل تلك القائمة على النحاس التي اكتُشفت في الثمانينيات). وهم يشتبهون في أن "المغناطيسية" و"الموصلية الفائقة" في حالة حرب داخل هذه المواد.

النظرية القديمة: في الموصلات الفائقة القائمة على النحاس، عادة ما تعيق المغناطيسية الموصلية الفائ وتقضي عليها.
الاكتشاف الجديد: في أفلام النيكل هذه، يبدو أن الحالة المغناطيسية "الزجاجية" قد تكون في الواقع تساعد الموصلية الفائقة على الحدوث. وكأن الإلكترونات تحتاج إلى أن تتعثر في حالة "زجاجية" فوضوية ومتجمدة لتسمح لحركة المرور فائقة التوصيل بالتدفق بسلاسة.

الخلاصة

تعلن هذه الورقة عن اكتشاف حالة جديدة للمادة: زجاج إلكتروني فائق التوصيل.

إنها مادة تنقل الكهرباء بشكل مثالي، ولكن في داخلها، تكون الإلكترونات متجمدة في حالة فوضوية، تكسر تناظر الزمن، وتعمل كشارع ذي اتجاه واحد. إنه يشبه العثور على طريق سريع تسير فيه السيارات بسرعة مثالية، لكن الطريق نفسه مصنوع من هلام غريب ولزج يتذكر كل منعطف سلكته السيارات.

هذا الاكتشاف يمنح العلماء قطعة أحجية جديدة لحل لغز كيفية جعل الموصلات الفائقة تعمل في درجة حرارة الغرفة، مما سيحدث ثورة في شبكات الطاقة والحواسيب ووسائل النقل لدينا.

1. المشكلة والدوافع

فتح اكتشاف الموصلية الفائقة عند درجات حرارة انتقال عالية ( $T_c$ ) في النيكل-ات (nickelates) من نوع رادليد-بوبر (R-P) تحت الضغط العالي آفاقًا جديدة في فيزياء المادة المكثفة. مؤخرًا، تم تحقيق الموصلية الفائقة عند الضغط الجوي المعتاد في أفلام رقيقة من النيكل-ات ثنائية الطبقات (مثل $(La, Pr)_{3}Ni_{2}O_{7}$ ) عبر الإجهاد الانضغاطي فوق المحوري. ومع ذلك، لا تزال الطبيعة الجوهرية لهذه الحالة غير التقليدية للموصلية الفائقة غامضة. وتحديدًا، هناك نقص في الفهم فيما يتعلق بـ:

الآليات المجهرية التي تقود الاقتران في هذه الأنظمة متعددة المدارات.
وجود أطوار غريبة، مثل كسر تناظر عكس الزمن (TRS) أو الحالات الزجاجية، والتي غالبًا ما ترتبط بالموصلية الفائقة غير التقليدية في الكوبرات (cuprates) ولكن لم يتم تحديدها بشكل قاطع في النيكل-ات ذات الضغط الجوي المعتاد.
دور المدارات الإلكترونية ( $3d_{x^2-y^2}$ مقابل $3d_{z^2}$ ) والارتباطات المغناطيسية في تثبيت حالة المقاومة الصفرية.

2. المنهجية

استخدم الباحثون مجموعة شاملة من قياسات النقل الكهربائي على أفلام رقيقة عالية الجودة، أحادية البلورة، من النيكل-ات ثنائية الطبقات ذات تركيبات متفاوتة:

تخليق العينات: تم نمو أفلام من $La_{1.95}Pr_{1.05}Ni_{2}O_{7}$ و $La_{2.85}Pr_{0.15}Ni_{2}O_{7}$ و $La_{2.46}Pr_{0.24}Sm_{0.3}Ni_{2}O_{7}$ على ركائز $(001)$ -oriented $SrLaAlO_{4}$ باستخدام تقنية النمو الطبقي الذري التأكسدي الهائل (GAE). ضمن هذا الإجراء دقة التكافؤ والإجهاد الانضغاطي المتماسك (~2%).
قياسات النقل: استُخدم هندس التصميم "بار هول" (Hall bar) القياسي لقياس مقاومة الورقة ( $R_S$ ) ومعامل هول ( $R_H$ ) كدالة لدرجة الحرارة ( $T$ )، والمجال المغناطيسي ( $B$ )، والتيار ( $I$ ).
التقنيات التجريبية الرئيسية:
- تخلف المقاومة المغناطيسية: تم قياس $R_S(B)$ عن طريق مسح المجالات المغناطيسية في اتجاهات متعاكسة (أعلى/أسفل) للكشف عن حلقات التخلف (hysteresis loops).
- النقل غير المتبادل: تم قياس خصائص التيار-الجهد ( $I-V$ ) للتيارات الموجبة ( $I^+$ ) والسالبة ( $I^-$ ) للكشف عن عدم التبادلية (تأثير الدايود الفائق) في غياب المجال المغناطيسي.
- الاسترخاء المعتمد على الزمن: بعد استقطاب العينة بمجال مغناطيسي وإزالته، تمت مراقبة المقاومة المعتمدة على الزمن $R_S(\tau)$ للكشف عن الديناميكيات الزجاجية (تأثيرات التقادم/aging).
- ضبط الأكسجين: تم تعديل محتوى الأكسجين ( $p$ ) في الموقع (in situ) لدراسة الارتباط بين الموصلية الفائقة، وإشغال المدارات، والظواهر الغريبة المرصودة.
- معايرة المجال: استُخدمت مستشعرات هول من نوع InAs عالية الدقة لمعايرة المجالات المغناطيسية، لاستبعاد آثار المجال المتبقي.

3. المساهمات والنتائج الرئيسية

تسجل الدراسة اكتشاف حالة موصلية فائقة غير مسبوقة تتميز بـ كسر تلقائي لتناظر عكس الزمن (TRS) وديناميكيات زجاجية إلكترونية، تظهر في نظام درجات الحرارة المنخفضة للتحول الموصل فائق (عند الاقتراب من حالة المقاومة الصفرية).

أ. التخلف غير التقليدي للمقاومة المغناطيسية

الملاحظة: في نظام درجات الحرارة المنخفضة (أقل من ~26 كلفن)، تظهر منحنيات المقاومة المغناطيسية حلقة تخلف متميزة عند مسح المجال المغناطيسي في اتجاهات متعاكسة.
الخصائص:
- التخلف قوي في كل من المجالات الخارجة عن المستوى ( $B_{\perp}$ ) والموازية للمستوى ( $B_{\parallel}$ ).
- والأهم من ذلك، أن القيم الدنيا للمقاومة عند الصفر تتحد (تندمج في حد أدنى واحد) بدلاً من الانقسام إلى حدين أدنيين متميزين. وهذا يستبعد وجود دوامات محاصرة (vortices) أو ترتيب مغناطيسي فيرومغناطيسي طويل المدى (والذي يظهر عادةً حدودًا دنيا منقسمة بسبب القسرية/coercivity).
- يتلاشى التخلف فوق درجة حرارة حرجة ( $T^* \approx 26$ كلفن)، وهي درجة حرارة أقل بكثير من بداية $T_c$ ولكنها تقع ضمن نظام التحول الموصل فائق.

ب. عدم التبادلية عند الصفر (تأثير الدايود الفائق)

الملاحظة: تظهر منحنيات التيار-الجهد ( $I-V$ ) عدم تبادلية ( $V(I^+) \neq |V(I^-)|$ ) حتى عند الصفر من المجال المغناطيسي.
الاعتماد على التاريخ: قطبية عدم التبادلية قابلة للعكس والتحكم من خلال تاريخ المجال المغناطيسي المطبق (على سبيل المثال، المسح من +3 T إلى -3 T قبل العودة إلى الصفر).
الأهمية: يؤكد هذا الكسر التلقائي لتناظر عكس الزمن (TRS) ووجود "ذاكرة مغناطيسية" جوهرية لحالة الموصلية الفائقة، وهي متميزة عن التأثيرات الحرارية الخارجية.

ج. الاسترخاء اللوغاريتمي البطيء للمقاومة (الديناميكيات الزجاجية)

الملاحظة: عند إزالة مجال استقطاب مغناطيسي، تسترخي مقاومة الورقة لوغاريتميًا مع مرور الوقت ( $R_S \propto -\beta \log \tau$ ) لأكثر من 200 دقيقة دون تشبع.
الأهمية: سلوك "التقادم" هذا هو السمة المميزة لـ طور زجاجي. أسّ (exponent) الاسترخاء $\beta$ يكون غير صفري فقط تحت ~28 كلفن، وهو ما يتوافق مع بداية كسر تناظر عكس الزمن (TRS). يشير هذا إلى تجمد التقلبات المغناطيسية منخفضة الطاقة في حالة زجاجية مضطربة.

د. الاعتماد على المدار والأكسجين

الارتباط: يؤدي التقليل المنهجي لمحتوى الأكسجين إلى تثبيط الموصلية الفائقة العالمية ( $T_c$ ) وسعة تخلف كسر تناظر عكس الزمن (TRS) في آن واحد.
الآلية: تشير الدراسات الحديثة إلى أن تقليل الأكسجين يعزز وزن المدار $Ni-3d_{z^2}$ بينما يثبط $Ni-3d_{x^2-y^2}$ . هذا الارتباط المرصود يعني أن الحالة الزجاجية لكسر تناظر عكس الزمن مدفوعة بشكل أساسي بالمدار $Ni-3d_{x^2-y^2}$ ، مما يميزها عن النيكل-ات ذات الطبقة الواحدة (infinite-layer) حيث يلعب $d_{z^2}$ دورًا أكبر.

4. استبعاد الآليات الخارجية

قام المؤلفون باستبعاد التفسيرات البديلة بصرامة:

المجالات المغناطيسية المتبقية: تم استبعادها عبر معايرة مستشعر هول وقياسات ضابطة على موصل فائق تقليدي (Nb) لم يظهر أي تخلف.
الدوامات المحاصرة (Vortices): استُبعدت لأن التخلف يستمر تحت المجالات الموازية للمستوى (حيث تُثبط الدوامات بسبب الحصر ثنائي الأبعاد) ولأن القيم الدنيا عند الصفر تتحد ولا تنقسم.
التأثيرات الحرارية/التسخين: استُبعدت من خلال التحقق من استقلالية النتائج عن مقدار التيار ومعدلات المسح.
الشوائب المغناطيسية: من غير المرجح وجودها نظرًا للطبيعة غير المغناطيسية لجميع الركائز والأقطاب، ولأن التأثير محصور بدقة في نظام الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة المنخفضة.

5. الأهمية والآثار المترتبة

حالة جديدة للمادة: تحدد الورقة البحثية "حالة موصلية فائقة زجاجية إلكترونية تكسر تناظر عكس الزمن" في النيكل-ات ذات الضغط الجوي المعتاد. هذه الحالة متميزة عن الأطوار المغناطيسية ذات الترتيب طويل المدى المشاهدة في بعض الكوبرات أو حالات الزجاج الدوامي (vortex glass) في الموصلات الفائقة التقليدية.
رؤية مجهرية: تشير النتائج إلى أن الارتباطات المغناطيسية قصيرة المدى (على الأرجح طور زجاج مغناطيسي/spin-glass يتضمن سبينات $Ni-3d_{x^2-y^2}$ ) تتجمد في حالة مضطربة عند درجات الحرارة المنخفضة. يبدو أن هذه الحالة الزجاجية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتثبيت حالة المقاومة الصفرية للموصلية الفائقة، على عكس الكوبرات حيث غالبًا ما تتنافس أطوار الزجاج المغناطيسي مع الموصلية الفائقة أو تتلاشى مع بدايتها.
فيزياء المدارات المتعددة: تسلط النتائج الضوء على الدور الحاسم للفيزياء متعددة المدارات ( $d_{x^2-y^2}$ و $d_{z^2}$ ) والاقتران بين الطبقات في النيكل-ات ثنائية الطبقات، مما يقدم منظورًا جديدًا لآلية الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية.
الاتجاهات المستقبلية: يوفر هذا الاكتشاف إطارًا ظاهريًا جديدًا للتحقيق في الموصلية الفائقة غير التقليدية، مما يشير إلى أن التقلبات المغلوطة منخفضة الطاقة وتجمدها في حالات زجاجية قد تكون سمة عالمية في المواد ذات درجات الحرارة العالية، وهو ما يستحق المزيد من الاستكشاف النظري والتجريبي.

باختصار، يكشف هذا العمل عن تداخل معقد بين الموصلية الفائقة، وكسر تناظر عكس الزمن، والديناميكيات الزجاجية في النيكل-ات ثنائية الطبقات، مما يدفع فهم الحالة الإلكترونية الأساسية في هذه المواد الواعدة ذات درجات الحرارة العالية بشكل جوهري.