Phase-controlled perfect nonlocal spin and charge diode effects in a four-terminal Josephson junction with $p$-wave magnets

في عالم الإلكترونيات الحديثة، يعد التحكم في اتجاه الكهرباء أمراً جوهرياً. فتماماً كما يمنع الشارع ذو الاتجاه الواحد ازدحام المرور عبر إجبار السيارات على التحرك في اتجاه واحد فقط، تضمن المكونات الإلكترونية التي تُسمى "الديودات" (الثنائيات) تدفق التيار الكهربائي بسهما في اتجاه واحد بينما يتم حظره في الاتجاه الآخر. وهذه القدرة على تقويم، أو تسوية، تدفق الشحنة هي العمود الفقري لكل شيء، بدءاً من مصادر الطاقة البسيطة وصولاً إلى الرقائق الحاسوبية المعقدة. لعقود من الزمن، اعتمد هذا التحكم على تبديد الطاقة كحرارة، وهي عملية تولد هدراً وتحد من الكفاءة. ومع ذلك، يستكشف أفق جديد في الفيزياء كيفية تحقيق هذا التحكم الاتجاهي نفسه باستخدام الموصلات الفائقة — وهي مواد تنقل الكهرباء بمقاومة صفرية مطلقة ودون أي فقد في الطاقة. وبينما اكتشف العلماء مؤخراً طرقاً لجعل التيارات فائقة التوصيل تتصرف مثل شوارع ذات اتجاه واحد للشحنة الكهربائية، ظل هناك هدف أكثر استعصاءً: وهو خلق تأثير مماثل أحادي الاتجاه لـ "اللف المغزلي" (Spin). اللف المغزلي هو خاصية جوهرية للإلكترونات، وغالباً ما يُتخيل كأنه مغناطيس داخلي صغير، والتلاعب بتدفق هذا اللف دون فقدان الطاقة هو "الكأس المقدسة" لمجال يُعرف باسم "الإلكترونيات الدورانية" (spintronics)، والذي يهدف إلى بناء أجهزة أسرع وأكثر كفاءة.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن، بشكل نظري، طريقة لخلق هذا التحكم المثالي والخالي من الفقد في كل من الشحنة الكهربائية واللف المغزلي للإلكترونات في جهاز واحد. لقد اقترحوا ترتيباً معيناً للمواد، وهو في الأساس عبارة عن وصلة على شكل صليب حيث تلتقي أربعة أطراف فائقة التوصيل عند حاجز مركزي. اثنان من هذه الأطراف مصنوعان من نوع خاص من المواد المغناطيسية التي تم تحفيزها لتصبح فائقة التوصيل، بينما الطرفان الآخران مصنوعان من نوع آخر من الموصلات الفائقة التي تحمل طبيعياً نوعاً معيناً من المحاذاة المغناطيسية. ومن خلال الضبط الدقيق للأطوار الميكانيكية الكمومية — فكر فيها كأنها توقيت أو إيقاع موجات الإلكترونات — وجد الباحثون أن بإمكانهم إجبار الجهاز على العمل كديود مثالي. في هذا الإعداد، يسمح الجهاز بتدفق اللف أو الشحنة في اتجاه واحد بكفاءة تبلغ 100%، بينما يحظر تماماً ذلك التدفق إذا عُكس الاتجاه. ومن المثير للاهتمام أن سلوك الحظر والعبور المثالي هذا يمكن تشغيله وإطفاؤه، أو حتى عكسه، ببساطة عن طريق تدوير مقبض بوابة الجهد أو تدوير البنية البلورية للمادة المغناطيسية.

يتكون الجهاز الذي صممه الباحثون من منطقة مركزية مصنوعة من معدن عادي، تعمل كحاجز يربط بين أربعة أذرع شبه نهائية. الذراعان الأيسم والأيمن يتكونان من مادة مغناطيسية ذات بنية داخلية محددة، تُعرف باسم "مغناطيس p-wave"، والتي وُضعت في تلامس مع موصل فائق تقليدي لاستحثاث حالة التوصيل الفائق. أما الذراعان العلوي والسفلي فهما مصنوعان من مادة أخرى فائقة التوصيل تمتلك طبيعياً محاذاة مغناطيسية فريدة تُسمى "الحالة الثلاثية" (triplet state). عندما قام الباحثون بمحاكاة تدفق الإلكترونات عبر هذه البنية التي تشبه الصليب، اكتشفوا أن سلوك التيار يعتمد كلياً على فرق التوقيت النسبي، أو "فرق الطور"، بين الموجات فائقة التوصيل في الأذرع المختلفة. عندما تم ضبط فرق التوقيت بين الذراعين العلوي والسفلي عند الصفر، عمل الجهاز كديود مثالي للّف المغزلي، لكنه سمح للشحنة بالتدفق بالتساوي في كلا الاتجاهين. في هذه الحالة، أنتج الجهاز تيار لف مغزلي نقي يتدفق في اتجاه واحد فقط، بغض النظر عن كيفية محاولة الباحثين دفعه في الاتجاه المعاكس.

أصبح الوضع أكثر إثارة للاهتمام عندما أدخل الباحثون فرق توقيت محدداً بين الذراعين العلوي والسفلي. في هذا التكوين، أصبح الجهاز يعمل في آن واحد كديود مثالي لكل من اللف المغزلي والشحنة. وهذا يعني أنه يمكن جعل الجهاز يوصل الكهرباء واللف المغزلي في اتجاه واحد، بينما يعمل كعازل كامل في الاتجاه المعاكس، وكل ذلك دون أي فقد في الطاقة. وجد الباحثون أن اتجاه هذا التدفق أحادي الاتجاه يمكن التحكم فيه بدقة متناهية. فمن خلال ضبط الجهد المطبق على الحاجز المعدني المركزي، استطاعوا قلب اتجاه تيار اللف المغزلي، مما تسبب في تحوله من التدفق بشكل مثالي في اتجاه واحد إلى التدفق بشكل مثالي في الاتجاه الآخر. حدث هذا التحول بشكل فوري تقريباً، مثل قلب مفتاح الضوء، بدلاً من التلاشي تدريجياً. وبالمثل، من خلال تدوير التوجه البلوري الداخلي للأذرع المغناطيسية، استطاعوا أيضاً عكس اتجاه التدفق. هذا التحكم المزدوج، باستخدام كل من الجهد الكهربائي والتوجه الفيزيائي، يوفر طريقة قوية لضبط الجهاز وفقاً لاحتياجات محددة.

ولضمان أن هذه النتائج لم تكن مجرد ضربة حظ ناتجة عن ظروف مثالية ومثالية للغاية، اختبر الباحثون مدى متانة تصميمهم ضد مختلف العيوب في العالم الحقيقي. فقد قاموا بمحاكاة سيناريوهات حيث لم تكن الاتصالات بين أجزاء الجهاز المختلفة متساوية تماماً، وحيث احتوت المواد على شوائب عشوائية، وحيث ارتفعت درجة الحرارة. كما قاموا بتغيير قوة خصائص التوصيل الفائق والحجم الفيزيائي للوصلة. وفي كل حالة، ظل السلوك المثالي أحادي الاتجاه قائماً. استمر الجهاز في حظر التيار في اتجاه واحد وتمريره في الآخر بكفاءة بلغت 100%، حتى عندما تغيرت المعايير بشكل كبير. يشير هذا إلى أن التأثير هو خاصية أساسية لهذا الترتيب المحدد من المواد وليس معتمداً على الضبط الدقيق لكل تفصيل للوصول إلى الكمال. وخلص الباحثون إلى أن هذه الوصلة ذات الأطراف الأربعة توفر منصة مستقرة للغاية وقابلة للضبط لإنشاء أجهزة يمكنها التحكم في اللف المغزلي والشحنة دون إهدار الطاقة، مما يمهد الطريق لأنواع جديدة من الإلكترونيات فائقة التوصيل التي يمكن أن تُحدث ثورة في كيفية معالجتنا للمعلومات.