Magnetic contacts on freestanding superconducting LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ micromembranes

في عالم علم المواد، هناك قوتان عتيدتان غالباً ما ترفضان التناغم معاً: المغناطيسية والموصلية الفائقة. المغناطيسية هي القوة التي تسحب إبرة البوصلة نحو الشمال أو تلصق مغناطيس الثلاجة بالباب، بينما الموصلية الفائقة هي حالة نادرة تتدفق فيها الكهرباء دون أي مقاومة على الإطلاق، مما يسمح للتيارات بالدوران إلى الأبد دون فقدان الطاقة. لعقود من الزمن، فُتن العلماء بفكرة الجمع بين هاتين الحالتين، آملين في ابتكار نوع جديد من الذاكرة الإلكترونية أو مفتاح يمكنه التحكم في الكهرباء باستخدام المجالات المغناطيسية. ومع ذلك، فإن الجمع بينهما في نفس المساحة أمر صعب للغاية؛ فعادة ما يكون المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس قوياً لدرجة أنه يدمر حالة الموصلية الفائقة الدقيقة، مما يتسبب في مواجهة الكهرباء للمقاومة فجأة مرة أخرى. ولإنجاح هذا الأمر، يحتاج الباحثون إلى مادة تكون فائقة التوصيل ولكنها أيضاً رقيقة ومرنة بما يكفي لتكون ملامسة لمغناطيس دون أن تُسحق بفعل مجاله.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة للجمع بين هذين العالمين باستخدام ورقة رقيقة جداً وحرة من مادة معقدة تسمى LaAlO3/SrTiO3. تشكل هذه المادة واجهة خاصة حيث يمكن للإلكترونات التحرك بحرية، مما يخلق غازاً إلكترونياً ثنائي الأبعاد يصبح فائق التوصيل عند تبريده إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. كان التحدي يكمن في أن هذه الطبقة فائقة التوصيل مدفونة في عمق المادة، مخبأة تحت طبقات أخرى، مما يجعل من المستحيل تقريباً إرفاق اتصال مغناطيسي بها مباشرة دون إتلاف البنية الدقيقة. ومن خلال استخدام تقنية لتقشير أغشية رقيقة ومرنة من هذه المادة وتثبيتها على قاعدة سيليكون، أنشأ الباحثون إعداداً يمكنهم من خلاله الاقتراب من الطبقة فائقة التوصية المخفية من الجانب. ثم وضعوا قطعاً صغيرة من النيكل، وهو معدن مغناطيسي، مقابل حواف هذه الأغشية. وما اكتشفوه هو أن الموصلية الفائقة لم تتلاشَ؛ بل أصبحت حساسة للغاية للتاريخ المغناطيسي للنيكل، حيث عملت كمستشعر مدمج يمكنه إخبارهم بدقة بكيفية سلوك المغناطيس.

بنى الباحثون ثلاثة أجهزة دقيقة، يتكون كل منها من غشاء مجهري منحني من مادة الأكسيد مستقر على شريحة سيليكون. قاموا بتثبيت وصلات نيكل على جوانب هذه الأغشية، مما أدى فعلياً إلى وضع الطبقة فائقة التوصيل بين النيكل والهواء. وعندما بردو هذه الأجهزة إلى 30 ميلي كلفن، وهي درجة حرارة تزيد قليلاً عن الصفر المطلق، انخفضت الكهرباء المتدفقة عبر الغشاء إلى صفر مقاومة، مما أكد بقاء حالة الموصلية الفائقة في وجود النيكل المغناطيسي. كان هذا إنجازاً كبيراً لأن المجال المغناطيسي من النيكل، في العديد من الإعدادات الأخرى، كان سيقتل الموصلية الفائقة على الفور. بعد ذلك، بدأ الفريق في استقصاء كيفية تأثير مغناطيسية النيكل على حالة الموصلية الفائقة هذه. طبقوا مجالاً مغناطيسياً على الأجهزة وقاسوا كيف تغيرت المقاومة الكهربائية أثناء مسح المجال صعوداً وهبوطاً.

وجدوا أن حالة الموصلية الفائقة لم تكن تسلك نفس السلوك عندما كان المجال المغناطيسي في حالة تزايد كما كانت عليه عندما كان في حالة تناقص. هذا الاختلاف، المعروف باسم التلاكؤ (hysteresis)، كشف أن وصلات النيكل كانت تحتفظ بذاكرة مغناطيسية. كانت الطبقة فائقة التوصيل تتفاعل ليس فقط مع المجال المغناطيسي الخارجي الذي طبقه العلماء، بل أيضاً مع المجال المغناطيسي غير المرئي الناتج عن النيكل نفسه. لاحظ الباحثون أن النقطة التي تصبح فيها المادة أكثر موصلية فائقة — أي نقطة أدنى مقاومة — لم تحدث عندما كان المجال الخارجي صفراً. بدلاً من ذلك، حدث ذلك عندما تم ضبط المجال الخارجي عند قيمة محددة تبلغ زائد أو ناقص 45 ميلي تسلا. وهذا يشير إلى أن النيكل يولد مجاله المغناطيسي الخاص الذي إما يساعد أو يصارع المجال الخارجي، وكان على العلماء تطبيق ذلك المجال المضاد المحدد لإلغاء تأثير النيكل والسما_ح للموصلية الفائقة بالظهور.

لفهم هذا التفاعل، طور الفريق نموذجاً يعامل وصلات النيكل كمصادر لمجال مغناطيسي فعال. استخدموا عمليات محاكاة حاسوبية لرسم خرائط لكيفية إنشاء قطع النيكل لمجالات مغناطيسية شاردة تصل إلى الطبقة فائقة التوصيل. أظهرت المحاكاة رابطاً مباشراً بين مدى قوة تمغنط النيكل وقوة المجال الذي يشعر به الموصل الفائق. ومن خلال التحكم بعناية في المجال المغناطيسي المطبق على النيكل — تمغنطه في اتجاه واحد، ثم عكسه جزئياً دون قلبه بالكامل — استطاع الباحثون ضبط المجال المغناطيسي الفعال الذي تختبره المادة فائقة التوصيل. سمح لهم ذلك بإعادة بناء السلوك المغناطيسي لوصلات النيكل بمجرد مراقبة كيفية تغير التيار فائق التوصيل. لقد حولوا الموصل الفائق فعلياً إلى مقياس مغناطيسي دقيق، قادر على قياس الحالة المغناطيسية للنيكل بحساسية عالية.

كشفت الدراسة أيضاً أن اتجاه المجال المغناطيسي كان مهماً للغاية. عندما تم تطبيق المجال المغناطيسي بشكل عمودي على سطح الغشاء، كانت حالة الموصلية الفائقة أكثر هشاشة، وكانت تيارات التبديل أصغر. ومع ذلك، عندما تم تطبيق المجال بشكل موازٍ للسطح، كانت حالة الموصلية الفائقة أكثر متانة، مما سمح بتدفق تيارات تصل إلى 100 نانو أمبير. يشير هذا الاختلاف إلى أن البنية الداخلية لوصلات النيكل تتغير اعتماداً على اتجاه المجال. فعندما يُطبق المجال من الجانب، يميل النيكل إلى تكوين حالة مغناطيسية موحدة تكون أقل إزعاجاً للموصل الفائق. أما عندما يُطبق من الأعلى، فإن النيكل ينقسم إلى مناطق مغناطيسية صغيرة، أو "نطاقات"، مع جدران بينها تخلق مجالات مغناطيسية موضعية فوضوية تزعج الإلكترونات فائقة التوصيل. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على أن هندسة الاتصال المغناطيسي لا تقل أهمية عن المادة نفسها.

تفتح هذه النتائج مساراً جديداً لاستكشاف كيف يمكن حقن "اللف المغزلي" (spin)، وهو خاصية أساسية للإلكترونات مرتبطة بالمغناطيسية، في الموصلات الفائقة. ويشير الباحثون إلى أن الواجهة الفريدة لمادتهم قد تسمح بإنشاء أنواع خاصة من أزواج الإلكترونات التي يمكنها حمل معلومات اللف المغزلي، وهو مطلب رئيسي لأجهزة "السبينترونيكس" (spintronics) فائقة التوصيل المستقبلية. وبينما لا يسمح الإعداد الحالي بعد بالتحكم المستقل في اثنين من الوصلات المغناطيسية المنفصلة لاختبار هذه النظريات بالكامل، فإن العمل يثبت أنه من الممكن دمج الوصلات الفيرومغناطيسية مع موصلات الأكسيد الفائقة دون تدمير حالة الموصلية الفائقة. ومن خلال إظهار أنه يمكن ضبط حالة الموصلية الفائقة والتحكم بها بواسطة التاريخ المغناطيسي للوصلات، وفر الفريق منصة موثوقة للتجارب المستقبلية. يثبت العمل أنه مع التصميم الصحيح، يمكن إدارة الصراع بين المغناطيسية والموصلية الفائقة، وتحويل عقبة محتملة إلى أداة للتحكم في الحالات الكمومية.