Signatures of nodal superconductivity in stoichiometric FeTe

في عالم علم المواد، تمتلك بعض المعادن والمركبات حياة سرية: فعند تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، يمكنها توصيل الكهرباء دون أي مقاومة على الإطلاق. هذه الظاهرة، المعروفة باسم الموصلية الفائقة، ليست مجرد فضول مختبري؛ بل هي المحرك وراء المغناطيسات القوية في أجهزة الماسح الضوئي الطبي، والمستقبل المحتمل لشبكات الطاقة عديمة الفقد. لعقود من الزمن، ظل العلماء يبحثون عن القواعد التي تحكم كيفية اقتران إلكترونات هذه المواد لتتدفق دون احتكاك. وقد كانت هناك عائلة من المواد، المكونة من الحديد وعناصر مثل السيلينيوم أو التيلوريوم، محيرة بشكل خاص. ففي هذه الموصلات الفائقة القائمة على الحديد، تتغير الطاقة المطلوبة لكسر زوج من الإلكترونات عادةً اعتماداً على الاتجاه الذي تنظر إليه، وهي خاصية تُسمى "تباين الخواص". وبينما كان الباحثون يضيفون المزيد من التيلوريوم إلى مخاليط الحديد والسيلينيوم، توقعوا أن يتلاشى هذا الاعتماد الاتجاهي، مما يؤدي إلى حالة بسيطة ومتجانسة عند الطرف النقي من الحديد والتيلوريوم. ومع ذلك، ظل مادة الحديد والتيلوريوم النقية نفسها لغزاً، حيث ساد الاعتقاد طويلاً بأنها معدن مغناطيسي يرفض الموصلية الفائقة تماماً.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من كشف طبقات هذا الغموض من خلال دراسة أغشية رقيقة من الحديد والتيلوريوم نقية حقاً، وكشفوا عن حالة موصلية فائقة تتحدى الاتجاه المتوقع. فبدلاً من أن تصبح بسيطة ومتجانسة، تتصرف المادة بطريقة معقدة وغير متساوية تشير إلى أن أزواج الإلكترونات فيها تتفكك في اتجاهات محددة، وهي سمة تُعرف باسم "الموصلية الفائقة ذات العقد". ومن خلال رسم خريطة لاستجابة المادة للمجالات المغناطيسية وفحص بنيتها الإلكترونية على المقياس الذري، وجد العلماء أن الحالة فائقة التوصيل ليست مشهداً ناعماً ومسطحاً، بل هي مشهد مليء بالوديان العميقة والقمم الحادة. ويتحدى هذا الاكتشاف الفكرة السائدة بأن إضافة التيلوريوم تعمل ببساطة على تسوية الفجوات فائقة التوصيل، مما يشير بدلاً من ذلك إلى أن الشكل الأنقى من هذه المادة يستضيف نوعاً متميزاً وغير عادي من السلوك الكمومي.

بدأت الرحلة إلى هذا الاكتشاف بمادة كانت تُعتبر لفترة طويلة طريقاً مسدوداً. فقد كان من المعروف أن "تيلوريد الحديد" هو معدن مغناطيسي حيث تصطف الإلكترونات فيه وفق نمط معين يمنع الموصلية الفائقة. ومع ذلك، سمحت التطورات الأخيرة للعلماء بتنمية أغشية رقيقة من هذه المادة متوازنة تماماً، بحيث تحتوي على ذرة حديد واحدة مقابل كل ذرة تيلوريوم، مما أدى إلى إزالة الشوائب التي كانت تعيق حالة الموصلية الفائقة سابقاً. وعند تبريدها، تصبح هذه الأغشية بالفعل موصلات فائقة، ولكن السؤال الذي ظل قائماً هو: أي نوع من الموصلات الفائقة هي؟ وللإجابة على ذلك، استخدم الباحثون أداة حساسة للغاية تسمى "جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل الماسح"، أو SQUID، والذي يعمل كجهاز قياس مغناطيسية مجهري. لقد حركوا هذا المستشعر فوق غشاء الحديد والتيلوريوم لقياس مدى قوة مقاومة المادة للمجالات المغناطيسية، وهي خاصية تكشف عن مدى صلابة وقوة التدفق فائق التوصيل.

وما وجدوه كان مشهداً من التباين المثير للدهشة. فحتى في العينة التي بدت متجانسة للعين المجردة، تغيرت قوة التدفق فائق التوصيل بشكل كبير عبر مسافات لا تتجاوز بضعة ميكرومترات. كانت بعض المناطق قوية وصامدة، بينما كانت مناطق أخرى أضعف، حيث تغيرت درجة الحرارة التي تبدأ عندها الموصلية الفائقة في التلاشي بأكثر من درجة واحدة عبر نفس القطعة الصغيرة من المادة. هذا التباين المكاني يشير إلى أن المادة لا تتصرف كبلورة واحدة مثالية، بل كنسيج من مناطق مختلفة قليلاً. والأهم من ذلك، عندما تتبع الباحثون كيف تغيرت صلابة الموصلية الفائقة أثناء تسخين المادة من قرب الصفر المطلق، لم تكن تتصرف مثل الموصلات الفائقة القياسية. ففي المواد التقليدية، يستقر التدفق فائق التوصيل بسرعة مع انخفاض درجة الحرارة، ولكن في غشاء الحديد والتيلوريوم هذا، استمر التدفق في التغير طوال درجات الحرارة المنخفضة التي تمكنوا من قياسها، متبعاً نمطاً رياضياً محدداً يشير إلى وجود فجوات في البنية الطاقية.

ولفهم سبب هذا السلوك، لجأ الفريق إلى تقنية أخرى تسمى "المجهر النفقي الماسح"، والتي تسم تسمح برؤية مستويات الطاقة للإلكترونات الفردية على السطح. في الموصل الفائق القياسي، يبدو طيف الطاقة عادةً على شكل حرف U عميق، مع وجود فجوة واضحة لا يمكن للإلكترونات التواجد فيها. ومع ذلك، في أغشية الحديد والتيلوريوم، اتخذ الطيف شكل حرف V، حيث ينحدر نحو نقطة بدلاً من أن يستوي. وهذا الشكل (V) هو علامة مميزة للمواد التي تصل فيها الفجوة الطاقية إلى الصفر في اتجاهات معينة، مما يخلق "عقداً" حيث يمكن للإلكترونات التحرر بسهل. وهذا الملاحظة، جنباً إلى جنب مع القياسات المغناطيسية، أشارت إلى سيناريو "الفجوة المزدوجة": المادة تمتلك نوعين مختلفين من أزواج الإلكترونات، أحدهما اتجاهي للغاية ويحتوي على هذه العقد، والآخر أكثر تجانساً.

اختبر الباحثون هذه الأفكار باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية بناءً على البنية الذرية المعروفة للمادة. ومن خلال نمذجة كيفية تفاعل الإلكترونات مع جيرانها، وجدوا أن المادة تدعم طبيعياً حالة تتشكل فيها أزواج الإلكترونات بنمط يحتوي على عقد، يشبه شكل "البرسيم رباعي الأوراق"، أو حالة الموجة s ذات العقد. وقد أكدت هذه المحاكاة أن وجود هذه العقد هو سمة قوية في المادة، وليس مجرد صدفة في التجربة. وتشير النتائج إلى أنه مع اقتراب المادة من حد النقاء التام للحديد والتيلوريوم، فإن الحالة فائقة التوصيل لا تصبح أبسط وأكثر تجانساً كما كان يُعتقد سابقاً، بل تتطور إلى نظام معقد حيث تكون أزواج الإلكترونات حساسة للغاية للاتجاه والاضطراب.

كشفت هذه العمل أيضاً عن ارتباط عميق بين قوة التدفق فائق التوصيل ودرجة الحرارة التي يظهر عندها. ففي المناطق التي كان فيها التدفق قوياً جداً، ظلت درجة الحرارة ثابتة، ولكن مع ضعف التدفق، انخفضت درجة الحرارة التي تختفي عندها الموصلية الفائقة بسرعة. وتماثل هذه العلاقة الأنماط المشاهدة في عائلات أخرى شهيرة من الموصلات الفائقة، مما يشير إلى قاعدة عالمية حول كيفية انهيار هذه المواد عندما لا تكون منظمة تماماً. إن هذه النتائج ترسخ "تيلوريد الحديد" ذو القياس الكيميائي المحدد كساحة فريدة ومتميزة لدراسة الموصلية الفائوة غير التقليدية. إنها مادة تختلف قواعدها عن جيرانها، مما يوفر معياراً جديداً للنظريات التي تحاول تفسير كيفية اقتران الإلكترونات في هذه الأنظمة الكمومية المعقدة. ومن خلال إظهار أن الشكل الأنقى من هذه المادة يستضيف حالة "ثنائية الفجوة وذات عقد"، تفتح هذه الدراسة فصلاً جديداً في فهم العالم الغني والمتنوع للموصلات الفائقة القائمة على الحديد.