Direct observation of vortex liquid droplets in the iron pnictide superconductor CaKAs$_4$Fe$_4$ at $0.5T$_c$

داخل بعض المواد، يمكن للكهرباء أن تتدفق دون أي مقاومة على الإطلاق، وهي حالة تُعرف باسم الموصلية الفائقة. تحدث هذه الظاهرة عادةً عندما يتم تبريد المادة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. ومع ذلك، إذا قمت بتطبيق مجال مغناطيسي على مثل هذه المادة، فإن المجال يحاول شق طريقه إلى الداخل. وفي العديد من الموصلات الفائقة المفيدة، لا يقوم المجال المغناطيسي بمجرد حجب نفسه؛ بل يتغلغل في شكل هياكل أنبوبية صغيرة تسمى الدوامات. فكر في هذه الدوامات كأنها دوامات مجهرية من القوة المغناطيسية تخترق المادة. وطالما ظلت هذه الدوامات عالقة في مكانها، تظل المادة موصلاً مثالياً. ولكن إذا بدأت في التحرك، ولو قليلاً، فإنها تولد احتكاكاً يولد حرارة ويدمر حالة الموصلية الفائقة. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه إذا تم تسخين موصل فائق بما يكفي، فإن هذه الدوامات المتجمدة ستذوب في النهاية لتتحول إلى سائل فوضوي متدفق، مما يؤدي إلى فقدان المادة لخصائصها المميزة. وكان يُعتقد أن هذا الذوبان لا يحدث إلا بالقرب جداً من درجة الحرارة التي تختفي عندها الموصلية الفائقة نفسها.

لقد نظر فريق من الباحثين الآن عن كثب في هذه العملية، واكتشفوا أن الذوبان يبدأ في وقت أبكر بكثير مما كان يُعتقد سابقاً. وباستخدام مجهر قوي قادر على رؤية الذرات الفردية، راقبوا موصلاً فائقاً يعتمد على الحديد يسمى CaKFe4As4. ووجدوا أنه قبل وقت طويل من وصول المادة إلى درجة الحرارة التي تفقد عندها الموصلية الفائقة تماماً، تظهر جزر محلية صغيرة من الدوامات المتحركة. هذه "القطرات السائلة" تتشكل في بقع محددة بينما تظل بقية المادة صلبة وساكنة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الانتقال من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ليس حدثاً مفاجئاً ومنتظماً يحدث في كل مكان في وقت واحد، بل هو عملية "مرقعة" تبدأ في نقاط ضعيفة داخل بنية المادة.

ركز الباحثون على مادة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها تعمل عند درجات حرارة مرتفعة نسبياً بالنسبة لموصل فائق، حوالي 35 كلفن، أي حوالي 238 درجة تحت الصفر مئوية. ورغم أن هذه الدرجة لا تزال باردة جداً، إلا أنها دافئة بما يكفي لتجعل الدوامات المغناطيسية الصغيرة داخلها حساسة للحرارة. ولفهم ما كان يحدث، استخدم العلماء مجهراً نفقياً ماسحاً، وهو جهاز يمكنه رسم خريطة لسطح المادة بدقة مذهلة. ومن خلال قياس تدفق الإلكترونات عند السطح، استطاعوا رؤية بصمة كل دوامة فردية. وعند درجات حرارة منخفضة، شكلت هذه الدوامات شبكة صلبة ولكنها غير منتظمة، حيث كانت مثبتة في مكانها بواسطة عيوب صغيرة في البنية البلورية للمادة.

ومع رفع درجة حرارة العينة ببطء، حدث أمر غير متوقع. فعند درجات حرارة تصل إلى نصف النقطة التي تنتهي عندها الموصلية الفائقة، بدأوا في رؤية مناطق دائرية صغيرة لم تعد فيها الدوامات ساكنة. في هذه المناطق، كانت الدوامات تهتز بشدة بسبب الطاقة الحرارية لدرجة أنها اندمجت معاً، مكونة بقعة تشبه السائل. أطلق الباحثون على هذه البقع اسم "قطرات سائل الدوامات". وقد تعايشت هذه القطرات مع الأجزاء الصلبة من المادة، مما خلق حالة مختلطة حيث تكون بعض المناطق متجمدة والأخرى متدفقة. كان هذا اكتشافاً هاماً لأن التجارب واسعة النطاق السابقة لم تكن ترصد سوى ذوبان نظام الدوامات بأكمله عندما تصبح درجة الحرارة أعلى بكثير، قريبة جداً من حد الموصلية الفائقة. لقد كشفت الملاحظات الجديدة أن الانهيار المحلي للنظام يبدأ في وقت أبكر بكثير، مختبئاً داخل البنية الصلبة.

ولفهم سبب حدوث ذلك، راقب الفريق الدوامات بمرور الوقت. لقد أخذوا سلسلة من الصور لنفس البقعة على المادة، بفاصل زمني قدره دقائق، لمعرفة ما إذا كانت الدوامات تتحرك. ووجدوا أنه في معظم المناطق، ظلت الدوامات في مكانها، محتجزة بإحكام بواسطة العيوب الداخلية للمادة. ومع ذلك، في المناطق التي تحولت إلى قطرات سائلة، كانت الدوامات تغير مواقعها بوضوح. لم يكن هذا التحرك فوضى عشوائية؛ بل كان مدفوعاً بحرارة البيئة والطريقة التي تترتب بها عيوب المادة. لاحظ الباحثون أن المادة تحتوي على طبقات من الهياكل الذرية المختلفة التي تعمل كمصائد للدوامات. وفي بعض الأماكن، كانت هذه المصائد قوية بما يكفي لإبقاء الدوامات ثابتة، ولكن في أماكن أخرى، كانت المصائد أضعف، مما سمح للحرارة بهز الدوامات وتحريرها وتكوين تلك الجزر السائلة.

كما درست الدراسة أيضاً كيف يؤثر قوة المجال المغناطيسي على هذا السلوك. فعندما يكون المجال المغناطيسي ضعيفاً، يمكن للدوامات أن تتحرك بحرية أكبر، وتقطع مسافات أطول قبل أن تتعثر مرة أخرى. وعندما يكون المجال أقوى، تكون الدوامات متقاربة جداً وتظل ساكنة بشكل عام، باستثناء تلك البقع الضعيفة المحددة حيث تتشكل قطرات السائل. ومن خلال رسم خريطة توضح بالضبط أين تظهر هذه القطرات وإلى أي مدى تتحرك الدوامات، أنشأ الفريق صورة تفصيلية للمشهد الداخلي للمادة. ووجدوا أن المناطق التي تتحرك فيها الدوامات أكثر تتوافق مباشرة مع الأماكن التي تتشكل فيها قطرات السائل. وقد أكد ذلك أن البيئة المحلية، وتحديداً ترتيب العيوب، هي التي تحدد أين ومتى يبدأ الذوبان.

يغير هذا العمل فهم كيفية سلوك الموصلات الفائقة تحت المجالات المغناطيسية. فهو يوضح أن فقدان الموصلية الفائقة ليس خطاً واحداً حاداً يتغير فيه كل شيء في آن واحد، بل هو عملية تدريجية تظهر فيها جيوب صغيرة من الاضطراب وتنمو. وبالنسبة للمهندسين الذين يحاولون بناء أجهزة تستخدم الموصلات الفائقة، يعد هذا تفصيلاً بالغ الأهمية. فإذا كان الجهاز صغيراً بما يكفي، أو إذا كان التيار المتدفق عبره حساساً للتغيرات المحلية، فقد تسبب هذه القطرات السائلة التي تتشكل مبكراً مشاكل قبل وصول المادة إلى حدها النظري بفترة طويلة. وتشير النتائج إلى أنه لجعل الأجهزة فائقة التوصيل أفضل، يحتاج العلماء إلى التركيز على جعل المشهد الداخلي للمادة أكثر سلاسة، وضمان عدم وجود نقاط ضعف يمكن أن تتشكل فيها هذه الجزر السائلة. يقدم البحث دليلاً مرئياً واضحاً على أن استقرار الموصلية الفائقة يعتمد بشدة على التفاصيل المجهرية للمادة، كاشفاً عن عالم معقد من الحركة والسكون يختبئ داخل القلب البارد والهادئ للموصل الفائق.