Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

التناظر هو القواعد الخفية للعالم الفيزيائي، وهو مجموعة من القواعد التي تملي كيفية سلوك المادة وكيفية تحرك الطاقة. في عالم فيزياء الكم، حيث تتصرف الجسيمات كأمواج أكثر من كونها أجساماً صلبة، تكون هذه القواعد صارمة بشكل خاص. غالباً ما يبحث العلماء عن طرق لكسر هذه التناظرات لإنشاء حالات جديدة للمادة أو لبناء أجهزة تسلك سلوكيات غير عادية. أحد أكثر مجالات الدراسة إثارة للاهتمام يتعلق بالموصلات الفائقة، وهي مواد تنقل الكهرباء بمقاومة صفرية. عندما يتم فصل موصلين فائقين بواسطة حاجز رقيق، يمكنهما "التحدث" مع بعضهما البعض، مما يسمح بتدفق تيار عبر الفجوة دون الحاجة إلى بطارية. هذا التدفق، المعروف باسم التيار الفائق، حساس للغاية للمجالات المغناطيسية. ومن خلال تطبيق مجال مغناطيسي، يمكن للباحثين جعل هذا التيار يتداخل مع نفسه، مما يخلق نمطاً من القمم والوديان يشبه التموجات الناتجة عن إلقاء حجرين في بركة ماء. إن فهم كيفية التحكم في هذه الأنماط يتيح للعلماء هندسة أجهزة كمومية ذات خصائص محددة ومفيدة.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة لتبديل تشغيل وإيقاف تشغيل أنماط التداخل هذه، وتغيير شكلها، ببساطة عن طريق تدوير مجال مغناطيسي. ومن خلال العمل على جهاز مصنوع من رقاقة رقيقة من مادة تسمى بلاتين تيلورايد، موضوعة بين قطبين كهربائيين فائقين التوصيل، اكتشفوا أن اتجاه المجال المغناطيسي بالنسبة للتيار الكهربائي يعمل كمفتاح رئيسي. فعند تطبيق المجال المغناطيسي في اتجاه معين، يصبح نمط التداخل غير متماثل، حيث يكون أحد جانبي نمط التموج أكبر بكثير من الآخر. ومع ذلك، إذا قاموا بتدوير المجال بزاوية تسعين درجة، يعود النمط فجأة إلى شكله المتماثل والمثالي، رغم أن المجال المغناطيسي لا يزال قوياً. هذه القدرة على التنقل بين تناظر مكسور وتناظر مستعاد توفر طريقة جديدة للتحكم في النقل الكمومي، مما يحول هندسة المجال المغناطيسي إلى أداة لإعادة تكوين سلوك الجهاز.

أُجريت التجربة في مختبر تم تبريده إلى درجة حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق، حوالي 50 ميلي كلفن، لضمان بقاء التأثيرات الكمومية الدقيقة مرئية. بنى الباحثون جهازهم باستخدام رقاقة من بلاتين تيلورايد يتراوح سمكها بين 20 و40 نانومتر. وقاموا بتثبيت أقطاب كهربائية فائقة التوصيل مصنوعة من النيوبيوم والتيتانيوم على كلا جانبي الرقاقة، مما خلق وصلة يمكن للتيار الفائق التدفق من خلالها. ولتحديد خصائص النظام، طبقوا مجالاً مغناطيسياً يتكون من مكونين: أحدهما يشير للأعلى مباشرة عبر الجهاز، والآخر يمتد بشكل مسطح داخل مستوى المادة. ومن خلال تغيير زاوية هذا المجال المسطح بالنسبة لاتجاه التيار، استطاعوا مراقبة كيفية تطور نمط التداخل.

عندما لم يكن هناك مجال مغناطيسي مسطح، تصرف الجهاز كما هو متوقع، منتجاً نمطاً متماثلاً كلاسيكياً يُعرف بنمط فراونهوفر. يتميز هذا النمط بقمة مركزية كبيرة مع قمم أصغر متباعدة بانتظام على الجانبين، مما يشير إلى أن التيار الفائق كان يتدفق بشكل منتظم عبر الوصلة. ولكن بمجرد إدخال مجال مغناطيسي مسطح موازٍ للتيار، اختفى التناظر. أصبح النمط مشوهاً بشدة، حيث تقلصت القمم على أحد جانبي القمة المركزية بينما نمت القمم على الجانب الآخر. كان هذا عدم التماثل واضحاً جداً لدرجة أنه بدا وكأن صورة مرآتية لنفسه قد قُلبت. وجد الباحثون أن هذا التأثير لم يكن عشوائياً؛ بل اعتمد تماماً على الزاوية بين التيار والمجال المغناطيسي. فعندما كان المجال موازياً للتيار، كان التشوه في أسوأ حالاته. وعندما قاموا بتدوير المجال ليكون عمودياً على التيار، عاد النمط فوراً إلى حالته الأصلية المتماثلة.

لفهم سبب حدوث ذلك، طور الفريق نموذجاً مجهرياً لما يحدث داخل الجهاز. وأدركوا أن الأقطاب الكهربائية فائقة التوصيل ليست مجرد جدران خاملة؛ بل هي تعمل بنشاط على إعادة تشكيل خطوط المجال المغناطيسي المارة عبرها. وبسبب خاصية تسمى تأثير ميسنر، والتي تجعل الموصلات الفائقة تطرد المجالات المغناطيسية، أُجبرت خطوط المجال المغناطيسي المسطحة على الانحناء عند اقترابها من حواف الأقطاب الكهربائية. هذا الانحناء خلق مناطق محلية صغيرة يشير فيها المجال المغناطيسي للأعلى في نقطة ما وللأسفل في نقطة أخرى، مما شكل فعلياً ثنائياً قطبياً مغناطيسياً عند الواجهة بين الموصل الفائق والمادة العادية.

عملت هذه الثنائيات القطبية المغناطيسية الصغيرة مثل أيدٍ غير مرئية، تدفع وتسحب المسارات التي تسلكها الإلكترونات المتدفقة عبر الوصلة. في مادة مثالية وخالية من العيوب، ستلغي هذه الدفعات بعضها البعض. ومع ذلك، فإن المواد الحقيقية تحتوي دائماً على بعض الاضطراب—وهي شوائب صغيرة في البنية الذرية تشتت الإلكترونات. وبسبب هذا الاضطراب، سلكت الإلكترونات مسارات مختلفة ومتعرجة عبر الوصلة. سلكت بعض المسارات الجزء "الأعلى" من الثنائي القطبي المغناطيسي، بينما سلكت مسارات أخرى الجزء "الأسفل". وعندما عكس الباحثون اتجاه المجال المغناطيسي الرئيسي، تعرضت الإلكترونات في هذه المسارات المختلفة لدفع صافٍ مختلف، مما تسبب في إزاحة نمط التداخل وجعله غير متماثل. اعتمدت قوة هذا التأثير على كيفية توجيه المجال المسطح. فعندما كان المجال موازياً للتيار، بلغ انحناء خطوط المجال ذروته، مما خلق ثنائيات قطبية قوية شتتت نمط التداخل. وعندما كان المجال عمودياً، قلّ الانحناء إلى أدنى مستوياته، واختفت الثنائيات القطبية، واستعاد التناظر شكله.

لقد كان الباحثون حذرين في استبعاد التفسيرات الأخرى الممكنة. فقد نظروا فيما إذا كانت المادة نفسها تمتلك خاصية جوهرية تفضل اتجاهاً معيناً، لكن تجاربهم أظهرت أن التأثير يدور مع الجهاز، وليس مع البنية البلورية للمادة. كما اختبروا الجهاز بأطوال واتجاهات مختلفة، وظل السلوك ثابتاً، مما أكد أن الظاهرة مدفوعة بهندسة المجال والتيار، وليس بعيب محدد في العينة. علاوة على ذلك، استخدموا محاكاة حاسوبية لنمذجة النظام، مع دمج تأثيرات الاضطراب وتركيز المجال المغناطيسي. وقد أعادت هذه المحاكاة إنتاج النتائج التجريبية بدقة، مما أظهر أن التفاعل بين خطوط المجال المنحنية والمسارات المضطربة للإلكترونات كان بالفعل هو السبب.

يؤسس هذا الاكتشاف نوعاً جديداً من الأجهزة الكمومية القابلة للتحكم. فببساطة عن طريق تدوير مجال مغناطيسي، يمكن للعلماء الآن التبديل بين حالة يكون فيها التناظر مكسوراً وحالة يستعاد فيها التناظر. وهذا ليس مجرد فضول نظري؛ بل يوفر طريقة عملية لهندسة تناظر النقل الكمومي. إن القدرة على اختيار عملية التناظر التي يتم فحصها عن طريق تغيير هندسة المجال والتيار تفتح الباب أمام أنواع جديدة من المستشعرات والمفاتيح. على سبيل المثال، يمكن استخدام الجهاز للكشف عن اتجاه المجال المغناطيسي بدقة عالية أو لتصوير المسارات التي تسلكها التيارات الفائقة عبر مادة ما. يسلط هذا العمل الضوء على كيف يمكن تسخير الاضطراب، الذي يُنظر إليه غالباً كعائق في الأنظمة الكمومية، كخاصية مميزة عند دمجه مع البيئة المغناطيسية المناسبة.

تشير النتائج إلى أن سلوك هذه الأجهزة محكوم بتوازن دقيق بين قدرة المجال المغناطيسي على تركيز التدفق والطبيعة العشوائية للبنية الداخلية للمادة. لاحظ الباحثون أن هذا التأثير يستمر حتى شدة مجال مغناطيسي تصل إلى حوالي 70 ميلي تسلا، وهو نطاق كبير بالنسبة لهذه الظواهر الكمومية الدقيقة. كما أن استعادة التناظر عند الزاوية العمودية قوية بشكل خاص، وتظل قائمة حتى مع زيادة شدة المجال. وهذا يشير إلى أن الآلية مستقرة وموثوقة، مما يجعلها مرشحاً واعداً للتطبيقات المستقبلية في التكنولوجيا الكمومية.

في السياق الأوسع للفيزياء، يضيف هذا العمل إلى الفهم المتنامي لكيفية التحكم في الحالات الكمومية باستخدام المجالات الخارجية. فهو يثبت أن التناظر ليس مجرد خاصية ثابتة للمادة، بل هو درجة حرية ديناميكية يمكن ضبطها في الوقت الفعلي. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال التحكم في الاتجاه النسبي للتيار والمجال المغناطيسي، يمكن للمرء فعلياً كتابة ومحو قواعد التداخل للإلكترونات فائقة التوصيل. هذا المستوى من التحكم يمثل خطوة كبيرة نحو بناء دوائر كمومية أكثر تطوراً، حيث تكون القدرة على إعادة تكوين سلوك الجهاز أثناء التشغيل أمراً ضرورياً. توفر هذه الدراسة مساراً واضحاً، تم التحقق منه تجريبياً، لتحقيق ذلك، وهو مسار يرتكز على الفيزياء الأساسية لكيفية تفاعل المجالات المغزلية مع الموصلات الفائقة والمواد المضطربة.