Parity-dependent coupling of molecular spin chains to a superconductor

في العالم المجهري للفيزياء الكمومية، تتصرف الجسيمات أحيانًا كما لو كانت جزءًا من كلٍّ أكبر وأكثر شمولاً بدلاً من كونها أفرادًا مستقلين. وعندما يحدث هذا في مواد معينة، يمكن لقواعد الكون الأساسية أن تبدو وكأنها تتغير، مما يسمح للجسيمات بالانقسام إلى قطع أصغر، مجزأة، تحمل فقط جزءًا من خصائصها المعتادة. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "التجزؤ" (fractionalization)، هي سمة من سمات حالات المادة الغريبة حيث تخلق التفاعلات القوية بين الجسيمات سلوكيات جديدة وغير متوقعة. ومن أكثر الأمثلة إثارة للاهتمام ما يحدث في السلاسل أحادية البعد من الذرات المغناطيسية؛ ففي هذه السلاسل، تصطف العزوم المغناطيسية للذرات في نمط محدد يحمي نهايات السلسلة، تاركًا إياها بخصائص مغناطيسية مجزأة فريدة لا توجد في منتصف السلسلة. وقد تساءل العلماء لفترة طويلة عما سيحدث إذا وضعوا هذه الحالات الحافية (edge states) الهشة والمجزأة في تماس مع موصل فائق — وهو مادة توصل الكهرباء دون مقاومة وتطرد المجالات المغناطيسية. وكان السؤال هو ما إذا كان الموصل الفائق سيدمر هذه الحالات الكمومية الدقيقة أم أنها ستتعايش معه، مما قد يشكل أساسًا لأنواع جديدة من الحواسيب الكمومية.

لقد أجاب فريق من الباحثين الآن على هذا السؤال من خلال بناء سلاسل جزيئية دقيقة على سطح خاص ومراقبة كيفية تفاعلها مع موصل فائق. لقد صنعوا سلاسل مكونة من جزيئات كربون مثلثية، تُعرف باسم "تريانغولين" (triangulene)، والتي تعمل مثل خيط من الخرز المغناطيسي. عندما تكون هذه السلاسل قصيرة، تتفاعل الخصائص المغناطيسية عند طرفي السلسة مع بعضها البعض. فإذا كانت السلسلة تحتوي على عدد فردي من هذه الوحدات المثلثية، يتصرف الطرفان كجسم مغناطيسي واحد ذي عزم مغناطيسي صافٍ. أما إذا كان للسلسلة عدد زوجي من الوحدات، فإن الطرفين يلغي كل منهما الآخر، مما يؤدي إلى حالة غير مغناطيسية. وضع الباحثون هذه السلاسل على طبقة رقيقة من الذهب كانت موضوعة فوق معدن فائق التوصيل يسمى النيوبيوم. سمح هذا الإعداد لفيلم الذهب بأن يصبح فائق التوصيل نفسه، مما خلق بيئة "مُقربة" (proximitized) حيث تسربت الخصائص فائقة التوصيل إلى الذهب دون تدمير البنية الكيميائية الدقيقة لسلاسل الكربون.

باستخدام مجهر عالي الحساسية يمكنه قياس تدفق الكهرباء على المقياس الذري، لاحظ الفريق فرقًا صارخًا اعتمادًا على طول السلسلة. فعندما فحصوا السلاسل التي تحتوي على عدد فردي من الوحدات المثلثية، وجدوا علامات واضحة على أن النهايات المغناطيسية تتواصل مع الموصل الفائق. فقد رصد المجهر قمم طاقة محددة داخل الفجوة فائقة التوصيل، وهي نطاق الطاقة حيث لا يمكن للكهرباء التدفق عادةً. هذه القمم، المعروفة باسم حالات "يو-شيبا-روسينوف" (Yu-Shiba-Rusinov states)، هي بصمة تشير إلى أن لحظة مغناطيسية تقبع مباشرة على الموصل الفائق، مما يخلق اضطرابًا موضعيًا. وقد أكد هذا أن اللف المغناطيسي المجزأ عند نهاية السلسلة ذات الطول الفردي ظل نشطًا ومرتبطًا بالإلكترونات فائقة التوصيل.

في المقابل، حكت السلاسل ذات العدد الزوجي من الوحدات قصة مختلفة. ولأن طرفي هذه السلاسل ألغيا بعضهما البعض لتشكيل حالة غير مغناطيسية، لم تسبب أي قمم طاقة خاصة داخل الفجوة فائقة التوصيل. ظل الموصل الفائق غير مضطرب من قبل السلسلة، وكأنه يتجاهلها تمامًا. ومع ذلك، رأى الباحثون علامات تفاعل خارج الفجوة فائقة التوصيل مباشرة، حيث كانت الطاقة المطلوبة لقلب الحالة المغناطيسية للسلسلة مرئية. أثبت هذا أن الطرفين لا يزالان يتفاعلان مع بعضهما البعض، لكن طبيعتهما غير المغناطيسية المشتركة أبقتهم منفصلين عن الموصل الفائق نفسه.

اكتشف الباحثون أيضًا أن قوة التفاعل بين طرفي السلسلة تتغير مع زيادة طول السلاسل. ففي السلاسل الأقصر، كان الطرفان قريبين بما يكفي للشعور ببعضهما بقوة، مما حدد ما إذا كانت السلسلة ستعمل كجسم مغناطيسي أو غير مغناطيسي. ومع نمو السلاسل وطولها، ضعف هذا التفاعل، وبدأت النهايات تعمل كجسيمات مستقلة. استخدم الفريق نموذجًا نظريًا لشرح هذا السلوك، موضحين أن الحالات المغناطيسية المتبادلة للسلاسل كانت العامل الرئيسي. ووجدوا أن الحالة الأرضية المغناطيسية للسلسلة، سواء كانت وحدة مغناطيسية واحدة أو زوجًا ملغيًا، هي التي تملي كيفية ارتباطها بالموصل الفائق.

يُظهر هذا العمل أن الحماية الطوبولوجية لحالات اللف المغناطيسي المجزأة قوية بما يكفي للبقاء في بيئة فائقة التوصيل. إن القدرة على تبديل السلوك المغناطيدي للسلسلة ببساطة عن طريق إضافة أو إزالة وحدة واحدة، وقراءة هذه الحالة من خلال تفاعلها مع موصل فائق، تقدم طريقة جديدة للتحكم في المعلومات الكمومية على المقياس الجزيئي. وتشير الدراسة إلى أن البنى الجزيئية القائمة على الكربون يمكن أن تعمل كلبنات بناء لأجهزة كمومية هجينة، حيث تلتقي استقرار الحالات الطوبولوجية مع قوة التوصيل الفائق. ومن خلال إثبات إمكانية هندسة هذه الحالات الكمومية الغريبة والتحكم فيها على سطح فائق التوصيل، فتح الباحثون مسارًا نحو إنشاء أنظمة كمومية أكثر استقرارًا وتعقيدًا للتقنيات المستقبلية.