$^{139}$La nuclear quadrupole resonance studies of pressurized La$_4$Ni$_3$O$_{10}$

في سعيها لفهم كيفية توصيل المواد للكهرباء دون أي فقدان، ركز العلماء منذ زمن طويل على فئة خاصة من المواد تُعرف بالموصّلات الفائقة (superconductors). هذه المواد، عندما تُبرّد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، تسمح للتيار الكهربائي بالتدفق بمقاومة صفرية، وهي خاصية يمكن أن تُحدث ثورة في كل شيء، من شبكات الطاقة إلى التصوير الطبي. لعقود من الزمن، كانت أشهر الموصلات الفائقة مصنوعة من النحاس والأكسجين، ولكن مؤخرًا، جذبت عائلة جديدة من المواد التي تحتوي على النيكل انتباه الباحثين. هذه المركبات القائمة على النيكل، المرتبة في هياكل طبقية محددة، أظهرت القدرة على أن تصبح موصلة فائقة عند ضغطها تحت ضغط هائل، لتصل إلى درجات حرارة أعلى بكثير مما كان يُعتقد سابقًا أنه ممكن لهذا النوع من المواد. ومع ذلك، قبل أن تتمكن هذه المواد من التوصيل الفائق، فإنها غالبًا ما تمر بنوع مختلف من التحول حيث ترتب الإلكترونات نفسها في أنماط متكررة من الشحنة أو المغزل (spin)، مما يؤدي فعليًا إلى تجميد تدفق الكهرباء. إن فهم كيفية تشكل هذه الأنماط، وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض، وكيفية اختفائها تحت الضغط، أمر بالغ الأهمية لمعرفة كيفية جعل هذه المواد توصل الكهرباء بشكل فائق عند درجات حرارة أعلى.

لقد استطاع فريق من الباحثين الآن التحديق في قلب أحد هذه المركبات النيكلية، وهي مادة تُسمى La4Ni3O10، ليرى بالضبط كيف تتصرف هذه الأنماط الإلكترونية. ومن خلال استخدام تقنية "تستمع" إلى الهمسات المغناطيسية الضئيلة للذرات داخل البلورة، اكتشفوا أن المادة لا تتحول ببساطة من حالة عادية إلى حالة التوصيل الفائق. بدلاً من ذلك، تمر عبر مرحلة معقدة حيث ينسج نوعان مختلفان من الترتيبات الإلكترونية، أحدهما يتعلق بالمغزل المغناطيسي والآخر يتعلق بالشحنة الكهربائية، معًا بشكل وثيق. هذا الاكتشاف يتحدى الأفكار السابقة التي كانت تفترض أن هذين النوعين من الترتيب قد يكونان منفصلين أو مستقلين، مما يشير بدلاً من ذلك إلى أنهما مرتبطان بعمق في هذه المادة المحددة.

درس الباحثون بلورة عالية الجودة من La4Ni3O10، وهي مادة تتكون من طبقات من النيكل والأكسجين موضوعة بين طبقات من اللانثانوم. واستخدموا طريقة تُسمى "الرنين المغناطيسي النووي رباعي الأقطاب" (nuclear quadrupole resonance)، والتي تعمل كميكروفون شديد الحساسية يستمع إلى النوى الذرية. في هذه الحالة، ركزوا على ذرات اللانثانوم، التي تقع في موقعين مختلفين داخل الهيكل البلوري. ومن خلال ضبط الترددات التي تهتز بها هذه الذرات، تمكن الفريق من اكتشاف التغيرات الطفية في البيئة المغناطيسية والكهربائية المحلية، مما كشف عن كيفية تنظيم الإلكترونات لنفسها مع تبريد المادة.

عند الضغط الطبيعي، ومع تبريد الباحثين للمادة، لاحظوا أولاً ظهور ترتيب إلكتروني قصير المدى عند درجة حرارة تبلغ حوالي 150 كلفن. وهي حالة تكون فيها الأنماط الإلكترونية موجودة ولكنها توجد فقط عبر مسافات صغيرة، مثل التموجات على سطح بركة لم تنتشر بعد عبر السطح بأكمله. ومع انخفاض درجة الحرارة أكثر إلى حوالي 139 كلفن، نمت هذه التموجات لتصبح ترتيبًا طويل المدى يمتد عبر البلورة بأكملها. وأظهرت البيانات أن ترتيب المغزل المغناطيسي وترتيب الشحنة الكهربائية ظهرا في نفس الوقت وكانا متشابكين، مما يعني أنه لا يمكن فصلهما أو فهمهما بشكل مستقل. وهذا يعد خروجًا كبيرًا عما شوهد في مركب نيكلي مشابه مكون من طبقتين، حيث بدا أن هذين النوعين من الترتيب يعملان بشكل مستقل عن بعضهما البعض.

ولفهم مدى قوة هذه الأنماط، وضع الفريق البلورة تحت ضغط ثابت وعالٍ قدره 2.3 جيجاباسكال، وهو ما يعادل تقريبًا الضغط الموجود في أعماق قشرة الأرض. وتحت هذا الضغط، تغير سلوك المادة بطريقة كاشفة. فقد انخفضت درجة الحرارة التي ظهر عندها الترتيب طويل المدى وعابر للبلورة بشكل حاد، حيث انخفضت بمعدل 10 كلفن لكل جيجاباسكال من الضغط المطبق. في المقابل، انخفضت درجة الحرارة الخاصة بالترتيب قصير المدى والمحلي ببطء أكبر، بمعدل 1 كلفن فقط لكل جيجاباسكال. هذا الاختلاف في سرعة استجابة الحالتين للضغط يشير إلى أن الترتيب طويل المدى أكثر هشاشة وأسهل في الكبح من التقلبات قصيرة المدى.

كما كشفت الدراسة أنه مع زيادة الضغط، من المرجح أن تكون قدرة المادة على التوصيل الفائق معرقلة بسبب هذا التنافس بين الأنماط الإلكترونية وحالة التوصيل الفائق. في مركب النيكل ثنائي الطبقات، بدا أن الضغط يساعد الترتيب المغناطيسي، الذي لا يتنافس مع التوصيل الفائق. ولكن في هذه المادة ثلاثية الطبقات، أدى الطبيعة المتشابكة لترتيبات المغزل والشحنة إلى جعلها تتصارع بشكل أكثر مباشرة ضد حالة التوصيل الفائق. وخلص الباحثون إلى أن كبح هذه الترتيبات المتشابكة بواسطة الضغط هو عامل رئيسي في سلوك المادة، مما يقدم صورة أوضح لـ "حرب التجاذب والتنافر" المجهرية التي تحدد ما إذا كانت المادة ستصبح موصلة فائقة أم ستظل عازلة.

من خلال رسم خرائط دقيقة لكيفية تشكل وتطور هذه الأنماط الإلكترونية، قدم الباحثون لقطة مفصلة للحياة الداخلية لهذا المركب النيكلي. لقد أكدوا أن الأنماط الإلكترونية قصيرة المدى تظهر قبل الأنماط طويلة المدى بوقت كافٍ، وأن هذين النوعين من الترتيب مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. هذا العمل لا يصف مادة واحدة فحسب؛ بل يساعد في صقل الفهم الأوسع لكيفية تنافس السلوكيات الإلكترونية المعقدة في النيكيلات الطبقية. وتشير النتائج إلى أنه لإطلاق العنان للإمكانات الكاملة لهذه المواد في مجال التوصيل الفائق عند درجات حرارة عالية، يجب على العلماء تعلم كيفية إدارة أو كبح هذه الأنماط الإلكترونية المتشابكة، التي تقف حاليًا في طريق حالة التوصيل الفائق. وتوفر القياسات الدقيقة لكيفية تأثير الضغط على هذه الأنواع المختلفة من الترتيبات مجموعة جديدة من الأدلة للمنظرين والتجريبيين على حد سواء بينما يستمرون في استكشاف حدود المواد الكمومية.