Multiterminal Quasiballistic Josephson Effect in Monocrystalline Gold

في عالم الكهرباء، تعمل معظم المواد مثل ممر مزدحم حيث يصطدم الناس بالجدران وببعضهم البعض، مما يبطئ تقدمهم. هكذا تنتقل التيارات في المعادن العادية: تدفق فوضوي وانتشاري. أما الموصلات الفائقة، فهي مختلفة؛ ففي هذه المواد الخاصة، تترابط الإلكترونات في أزواج وتتحرك في تناغم تام، وهي حالة تسمح لها بنقل الكهرباء دون أي مقاومة على الإطلاق. وعندما يُفصل موصلان فائقان بواسطة حاجز رقيق من معدن عادي، تحدث ظاهرة مذهلة: يمكن للتيار الفائق أن "ينفق" عبر الفجوة، ليربط الجانبين معاً. يُعرف هذا بـ "تأثير جوزيفسون". لعقود من الزمن، درس العلماء هذا التأثير في أزواج بسيطة، لكن آفاقاً جديدة قد انفتحت الآن. يتساءل الباحثون اليوم عما يحدث عندما لا تكتفي بربط قطبين فائقين فقط، بل تربط العديد من الأقطاب الموصلة الفائقة بقطعة واحدة مشتركة. في هذا الترتيب المعقد، يعتمد سلوك التيار بين أي نقطتين على الشبكة بأكملها، مما يخلق نظاماً يكون فيه الكل أكبر من مجموع أجزائه.

لقد نجح فريق من علماء الفيزياء الآن في تجسيد هذه الفكرة المعقدة باستخدام بلورة ذهب واحدة. حيث صنعوا جهازاً مسطحاً، يعمل فيه رقاقة ذهب عالية النقاء بسمك 80 نانومتراً فقط كجسر بين ثمانية أقطاب منفصلة من الألمنيوم. وتتميز بلورة الذهب هذه بأنها قطعة واحدة مثالية من المادة، مما يسمح للإلكترونات بالانتقال من خلالها بأقل قدر من التصادمات. يُعرف هذا بـ "النظام شبه البالستي" (quasi-ballistic)، وهي حالة تتحرك فيها الإلكترونات بحرية تقارب حرية الضوء، بدلاً من التعثر وسط حشد. قام الباحثون بترسيب أقطاب الألمنيوم فوق الذهب، مما خلق شبكة من الاتصالات. ثم قاموا بقياس كمية التيار الفائق التي يمكن أن تتدفق بين مختلف الأزواج من هذه الأقطاب مع تغيير درجة الحرارة وتطبيق مجالات مغناطيسية.

كانت النتائج مفاجئة وتحدت القواعد القياسية التي تحكم الأنظمة الأبسط. في الإعدادات التقليدية، تتناقص قدرة التيار الفائق على عبور الفجوة بشكل مستمر ومتوقع مع زيادة المسافة بين الأقطاب. لكن هنا، وجد الباحثون أنه لا يوجد مثل هذا النمط البسيط. لقد قاموا بقياس أربعة وصلات مختلفة بأطوال متفاوتة، تتراوح من 94 نانومتراً إلى أكثر من ميكرون واحد. وبدلاً من أن يتلاشى التيار مع المسافة، كانت الوصلات الوسطى تحمل تياراً أقوى من تلك الموجودة عند الأطراف. هذا السلوك غير الرتيب، حيث تكون الروابط الوسطى أقوى من الروابط الخارجية رغم كونها أطول، أثبت أن الوصلات لم تكن تعمل بشكل مستقل. فقد كان التيار الفائق المتدفق بين أي قطبين محددين يتأثر بوجود وطور جميع الأقطاب الأخرى في المصفوفة. كانت بلورة الذهب بأكملها تعمل كجسم كمي واحد موحد، يربط كل قطب بكل قطب آخر في آن واحد.

وللتأكد من أن هذا لم يكن مجرد صدفة أو خطأ في التصنيع، أجرى الفريق تجربة ضبط حاسمة. فقد صنعوا أجهزة متطابقة باستخدام ذهب عادي مضطرب، حيث تتحرك الإلكترونات فيه بطريقة فوضوية وانتشارية. في تلك العينات القياسية، تصرف التيار تماماً كما هو متوقع: كان قوياً في أقصر وصلة، واختفى تماماً في الوصلات الأطول. هذا التباين الصارخ أكد أن السلوك المترابط الغريب كان خاصية فريدة لبلورة الذهب عالية الجودة وذات النظام شبه البالستي. كما طور الباحثون نموذجاً نظرياً جديداً لتفسير ما شاهدوه؛ حيث طابقت حساباتهم، التي أخذت في الاعتبار الانعكاسات المعقدة للإلكترونات عن أسطح بلورة الذهب الرقيقة، البيانات التجريبية تماماً دون الحاجة إلى تعديل أي متغيرات خفية.

استكشف الفريق أيضاً هذا السلوك متعدد الأطراف عبر إرسال تيارات عبر الجهاز بتشكيلات مختلفة. ووجدوا أن مقاومة إحدى الوصلات تتغير بناءً على التيار المتدفق عبر زوج مختلف تماماً من الأقطاب. لو كان النظام مجرد سلسلة بسيطة من ثلاث وصلات منفصلة، لكان السلوك متوقعاً وخطياً. ولكن بدلاً من ذلك، أظهرت القياسات شبكة معقدة من التفاعلات حيث يملي حال النظام ككل تدفق الكهرباء. وأخيراً، اختبروا الجهاز باستخدام مجالات مغناطيسية. في الوصلة البسيطة، يتذبذب التيار عادةً في نمط يتعلق بحجم تلك الفجوة المحددة. أما في بلورة الذهب هذه، فقد ارتبطت التذبذبات بالمساحة الأكبر التي تشترك فيها جميع الأقطبة، وليس فقط بالفجوة الصغيرة بين اثنين منها فقط. وقد قدم هذا دليلاً قاطعاً على أن المجال المغناطيسي كان يستشعر الشبكة الكاملة من الاتصالات.

يؤسس هذا العمل لمنصة جديدة لدراسة كيفية سلوك الموصلية الفائقة في الأنظمة متعددة الأطراف المعقدة. فمن خلال استخدام بلورة ذهب نقية ومنفردة، خلق الباحثون مختبراً حيث يمكن ضبط ودراسة الأطوار الكمية للعديد من الأقطاب الموصلة الفائقة معاً. يفتح هذا الإعداد الباب لاستكشاف حالات المادة الغريبة، مثل المواد الطوبولوجية الاصطناعية، حيث يحاكي ترتيب الأطوار الموصلة الفائقة سلوك الجسيمات في أبعاد أعلى. وتثبت هذه الدراسة أنه عندما يُسمح للإلكترونات بالتحرك بحرية في بيئة نظيفة، يمكنها إنشاء شبكة كمية مترابطة بعمق، محولةً قطعة بسيطة من المعدن إلى دائرة متطورة حيث يرتبط كل جزء فيها بالآخر ارتباطاً وثيقاً لا ينفصم.