🔬 materials science

High-temperature superconductivity in Nd $_{0.85}$ Sr $_{0.15}$ NiO $_2$ membranes under pressure

من خلال دمج أغشية طبقة لانهائية من Nd $_{0.85}$ Sr $_{0.15}$ NiO $_2$ قائمة بذاتها داخل خلية سندان ماسي، أثبت الباحثون أن الضغط الهيدروستاتيكي يحفز زيادة قوية وخطية في درجة حرارة الانتقال الفائق للتوصيل حتى حوالي 90 جيجا باسكال دون تشبع، لتصل إلى درجات حرارة قريبة من درجة حرارة النيتروجين السائل.

المؤلفون الأصليون: Yonghun Lee, Mengnan Wang, Xin Wei, Yijun Yu, Wendy L. Mao, Yu Lin, Harold Y. Hwang

نُشر 2026-04-13

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Yonghun Lee, Mengnan Wang, Xin Wei, Yijun Yu, Wendy L. Mao, Yu Lin, Harold Y. Hwang

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

تخيل أن لديك ورقة رقيقة وسحرية من مادة يمكنها توصيل الكهرباء بمقاومة صفرية (الموصلية الفائقة) عندما تصبح باردة بما يكفي. لقد عرف العلماء وجود هذا "السحر" في نوع معين من المواد يسمى النيكلّات (nickelates)، لكنه يعمل فقط عند درجات حرارة تقارب -250 درجة مئوية (17 كلفن). هذا بارد، لكنه ليس "فائق" البرودة.

السؤال الكبير كان: كم يجب أن نجعلها أكثر برودة لكي تعمل في "درجة حرارة الغرفة" (أو على الأقل عند درجات حرارة النيتروجين السائل)؟

عادةً، يحاول العلماء ضغط هذه المواد لجعلها تعمل بشكل أفضل. فكر في الأمر كأنك تضغط على إسفنجة: أحياناً، تغيير الضغط (تطبيق الضغط) يغير كيفية حركة الإلكترونات، مما يمكن أن يعزز قوة الموصلية الفائقة.

المشكلة: فخ "الشطيرة"

في السابق، حاول العلماء ضغط رقائق النيكلّات بينما كانت ملتصقة بظهر صلب (مثل قطعة زجاج أو سيراميك).

التشبيه: تخيل أنك تحاول ضغط قطعة من الطين المبلل ملتصقة بطوبة. لا يمكنك ضغطها بقوة كبيرة لأن "الطوبة" ستمنعك، أو قد تتشقق الطينة وتتكسر.
الحد الأقصى: عندما حاولوا تطبيق ضغط عالٍ، كانت "الطوبة" (الركيزة) تكسر فيلم النيكلّات الرقيق قبل أن يتمكنوا من الوصول إلى الضغوط العالية حقاً المطلوبة لرؤية كامل إمكاناته.

الحل: "الورقة العائمة"

ابتكر الفريق في جامعة ستانفورد ومختبر SLAC حيلة ذكية. لقد اكتشفوا كيفية جعل فيلم النيكلّات حراً (freestanding).

التشبيه: بدلاً من كون الطين ملتصقاً بالطوبة، قاموا بإذابة الغراء والطوبة، تاركين ورقة الطين تطفو في الهواء، مدعومة فقط بجزء ضئيل من البوليمر (مثل غلاف بلاستيكي رقيق جداً وغير مرئي).
الإعداد: أخذوا هذه الورقة العائمة ووضعوها داخل خلية سندان الماس (DAC). فكر في هذا كملزمة عالية التقنية مكونة من ماستين صغيرتين. يمكنك ضغط هاتين الماستين معاً بقوة هائلة—قوة كافية لسحق سيارة وتحويلها إلى مكعب، ولكن على نطاق مجهري.

التجربة: الضغط إلى أقصى الحدود

وضعوا ورقة النيكلّات العائمة هذه بين الماسات وبدأوا في الضغط، وصولاً إلى 90 جيجا باسكال (GPa).

لوضع ذلك في السياق: 90 جيجا باسكال تعادل حوالي 900,000 مرة الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. إنه نوع الضغط الموجود في أعماق لب الأرض.

النتيجة: تعزيز فائق خطي

إليك الجزء المذهل. في معظم المواد، عندما تضغطها بهذا القدر من القوة، تتحسن الموصلية الفائقة لفترة، ثم تصل إلى ذروة، ثم تسوء (مثل بالون يتمدد كثيراً حتى ينفجر).

الاكتشاف: ورقة النيكلّات هذه لم تنفجر. لم تتباطأ حتى.
التشبيه: تخيل أنك تدفع سيارة للأعلى في منحدر. عادةً، يصبح دفع السيارة أصعب كلما صعدت للأعلى، وفي النهاية تتوقف. لكن بالنسبة لهذه النيكلّات، في كل مرة كنت تضغط فيها على "دواسة الوقود" (الضغط)، كانت السيارة تذهب أسرع فأسرع في خط مستقيم تماماً.
الأرقام: مقابل كل وحدة ضغط تضاف، ترتفع درجة الحرارة التي تصبح عندها المادة فائقة التوصيل بمقدار 0.65 درجة.
- بدأت عند ~17 كلفن (أي -256 درجة مئوية).
- عند أعلى ضغط، قفزت إلى ~74 كلفن (-199 درجة مئوية).
- هذا يمثل زيادة في الأداء بمقدار أربعة أضعاف!

لماذا هذا مهم؟

لا يوجد "سقف" بعد: على عكس الموصلات الفائقة الأخرى (مثل أكاسيد النحاس أو المواد القائمة على الحديد) التي تصطدم بحائط وتبدأ في التدهور تحت الضغط، لا تزال هذه النيكلّات في حالة صعود. هذا يشير إلى أنه إذا تمكنا من ضغطها بقوة أكبر (ربما باستخدام ماس أفضل)، فقد نصل بها للعمل في درجات حرارة أعلى.
ملعب جديد: من خلال جعل المادة "حرة"، فتحوا باباً لاختبار المواد ثنائية الأبعاد الأخرى تحت ضغط شديد دون أن تنكسر.
الحلم: الهدف النهائي لأبحاث الموصلية الفائقة هو العثور على مادة تعمل في درجة حرارة الغرفة. ورغم أن 74 كلفن ليست درجة حرارة الغرفة بعد، إلا أن هذه التجربة تثبت أن "محرك" هذه المادة يمتلك طاقة أكبر بكثير مما اعتقدنا. الأمر يشبه اكتشاف محرك سيارة يمكنه الوصول لسرعة 200 ميل في الساعة بينما كان الجميع يظن أن سرعته القصوى هي 50 ميلاً فقط.

باخت اختصار: أخذ العلماء ورقة رقيقة عائمة من مادة فائقة التوصيل، ووضعوها تحت وزن ساحق من ملزمة ماسية، ووجدوا أنه كلما ضغطوا بقوة أكبر، عملت بشكل أفضل، دون أي علامة على التوقف. إنها خطوة كبيرة نحو فهم كيفية صنع موصلات فائقة تعمل في عالمنا اليومي.

ملخص تقني لورقة بحثية بعنوان: "الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية في أغشية $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$ تحت الضغط"

1. بيان المشكلة

منذ اكتشاف الموصلية الفائقة في النيكلاتات ذات الطبقة اللانهائية (infinite-layer nickelates)، سعى الباحثون إلى فهم الحد الأقصى الجوهري لدرجة حرارة الانتقال الفائق ( $T_c$ ). اعتمدت الجهود السابقة لتعزيز $T_c$ في الأفلام الرقيقة على:

الإجهاد الارتسامي الانضغاطي (Compressive epitaxial strain): باستخدام ركائز متطابقة الشبكة البلورية.
الضغط الكيميائي: استبدال أيونات العناصر الأرضية النادرة (مثل الساماريوم) لتقصير معامل الشبكة البلورية للمحور $c$ .

نجحت هذه الطرق في رفع $T_c$ من ~15 كلفن إلى ~40 كلفن. ومع ذلك، فإن المزيد من التحسين كان مقيداً بـ حدود الاستقرار الارتسامي (تشقق الأفلام أو تدهورها تحت الإجهاد العالي) وعدم القدرة على تطبيق ضغط هيدروستاتيكي شديد على الأفلام المرتبطة بالركيزة. كانت الدراسات السابقة للضغط العالي على الأفلام الرقيقة محدودة بنحو 12 جيجا باسكال قبل فشل الواجهة بين الركيزة والفيلم، مما منع استكشاف سلوك المادة عند الضغوط العالية حيث قد تصل $T_c$ إلى حالة التشبع أو الانخفاض.

2. المنهجية

للتغلب على قيود الأفلام المرتبطة بالركيزة، طور المؤلفون منصة تجريبية مبتكرة تستخدم أغشية نيكلاتات ذات طبقة لانهائية حرة (freestading) داخل خلية سنديان الماس (Diamond Anvil Cell - DAC).

تخليق العينة: تم نمو أفلام رقيقة مثالية من $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$ عبر الترسيب بالليزر النبضي على طبقة تضحية قابلة للذوبان في الماء ( $Sr_2Ca_1Al_2O_6$ ) مع طبقات تغليف واقية من $SrTiO_3$ .
تحرير الغشاء: تم إذابة طبقة التضحية في الماء، مما أدى إلى تحرير غشاء حر مدعوم بـ بوليمر.
الدمج: تم نقل الغشاء مباشرة إلى وجه الماس (diamond culet) في هندسة خالية من الركيزة.
التوصيلات الكهربائية: باستخدام قناع استنسل من نتريد السيليكون المعلق بنمط معين، قام المؤلفون بإجراء عمليات نحت أيوني متسلسلة وتبخير بالحزمة الإلكترونية لإنشاء وصلات أومية من $Ti/Au$ بهندسة "فان دير باو" (van der Pauw).
إعداد الضغط العالي: تم تحميل العينة في خلية سنديان الماس (DAC) غير مغناطيسية مع حشوات معدلية معزولة بنيتريد البورون المكعب (cBN). استُخدم زيت السيليكون كوسيط لنقل الضغط (PTM).
القياس: أُجريت قياسات النقل الكهربائي تحت ضغوط تتراوح من الضغط الجوي حتى ~91.5 جيجا باسكال. كما تم قياس اعتماد المجال المغناطيسي (حتى 13 تسلا) لتحديد المجالات الحرجة العليا ( $H_{c2}$ ).

3. المساهمات الرئيسية

منصة مبتكرة: النجاح في تطوير تقنية لدمج أغشية النيكلاتات ثنائية الأبعاد الحرة في خلية (DAC)، مما يتجاوز حدود الفشل الميكانيكي للأفلام المرتبطة بالركيزة.
{% %}
الوصول إلى ضغط شديد: الوصول إلى نظام الضغط حتى ~90 جيجا باسكال، وهو ما يتجاوز بكثير حد الـ ~12 جيجا باسكال الذي فرضته دراسات الأفلام الرقيقة السابقة.
اكتشاف تعزيز غير مشبع لـ $T_c$ : تقديم أول دليل على أن النيكلاتات ذات الطبقة اللانهائية لا تظهر نموذج التشبع أو الانخفاض المعتاد في عائلات الموصلية الفائقة الأخرى تحت الضغط الشديد.

4. النتائج الرئيسية

تعزيز خطي لـ $T_c$ : زادت درجة حرارة الانتقال الفائق ( $T_c$ ) بشكل رتيب وخطي مع الضغط بمعدل 0.65 كلفن لكل جيجا باسكال.
رقم قياسي لـ $T_c$ : عند أقصى ضغط تم قياسه وهو ~91.5 جيجا باسكال، وصلت $T_c$ عند البداية إلى ~74.2 كلفن (مع حدوث المقاومة الصفرية بالقرب من درجات حرارة النيتروجين السائل).
غياب التشبع: على عكس الكوبرات (cuprates)، والنيكلات ذات الطبقتين ( $La_3Ni_2O_7$ )، وسيلينيد الحديد، التي تظهر عادةً "قبة" لـ $T_c$ (ارتفاع يليه انخفاض بسبب زيادة التطعيم أو التغيرات الهيكلية)، لم تظهر أغشية $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$ أي علامات على التشبع أو التراجع حتى 90 جيجا باسكال.
تقوية حالة الموصلية الفائقة:
- انخفض طول التماسك داخل المستوي ( $\xi_{ab}$ ) بشكل رتيب من ~2.39 نانومتر (عند الضغط الجوي) إلى ~1.54 نماومتر (عند 71.8 جيجا باسكال)، مما يشير إلى تقوية تفاعل الازدواج.
- زاد المجال الحرج العلوي ( $H_{c2}$ ) بشكل ملحوظ مع الضغط.
- ضاق عرض الانتقال عند الضغوط العالية (>60 جيجا باسكال)، مما يشير إلى أن عدم التجانس أصبح أقل تأثيراً مع زيادة الضغط.

5. الأهمية

إعادة تحديد الحد الأقصى: تشير النتائج إلى أن قوة الازدواج الجوهرية في النيكلاتات ذات الطبقة اللانهائية يمكن رفعها إلى مقياس عالٍ بشكل مفاجئ، متجاوزة بكثير الـ ~40 كلفن التي تم تحقيقها عبر الإجهاد الكيميائي وحده.
رؤية ميكانيكية: يتحدى غياب انخفاض $T_c$ النماذج النظرية التي تتنبأ بأن ضغط المحور $c$ سيؤدي إلى "التطعيم الذاتي" وحالة زيادة التطعيم (والتي عادة ما تثبط $T_c$ ). بدلاً من ذلك، يشير الارتفاع الخطي إلى أن البنية الإلكترونية تظل مواتية للموصلية الفائقة حتى عند الضغط الشديد.
قابلية تطبيق أوسع: تقنية استخدام الأغشية الحرة في خلية (DAC) قابلة للتطبيق على نطاق واسع على المواد ثنائية الأبعاد الأخرى، مما يفتح آفاقاً جديدة لاستكشاف فيزياء الضغط العالي في الموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد والمواد الكمومية.
المقارنة مع الكوبرات: يتناقض هذا السلوك بشكل صارخ مع الكوبرات، حيث يؤدي الضغط غالباً إلى زيادة التطعيم وانخفاض $T_c$ . يشير هذا إلى أن النيكلاتات ذات الطبقة اللانهائية قد تمتلك آلية فريدة للحفاظ على الموصلية الفائقة تحت انكماش الشبكة الشديد.