Topological superconductors and Majorana fermions based on $X$-wave magnets with $X=p,d,f,g,i$

في عالم المواد الصلبة الهادئ، تتصرف الإلكترونات عادةً كحشد فوضوي، حيث تصطدم ببعضها البعض وتتشتت في كل اتجاه. ولكن تحت الظروف المناسبة، يمكنها أن تتزامن في حالة سائلة واحدة تُعرف باسم الموصل الفائق، حيث تتدفق الكهرباء دون أي مقاومة على الإطلاق. لعقود من الزمن، عرف العلماء أن هذه الحالة هشة؛ فهي عادة ما تنهار بمجرد إدخال مجال مغناطيسي، والذي يميل إلى تعطيل الاقتران الدقيق للإلكترونات. ومع ذلك، ظهرت فئة جديدة من المواد المغناطيسية التي تتحدى هذا التوقع. هذه المواد، التي تسمى "الألترماجنيت" (altermagnets) والمغناطيسات ذات التكافؤ الفردي (odd-parity magnets)، تمتلك بنية داخلية فريدة حيث تلغي القوى المغناطيسية بعضها البعض لتصل إلى الصفر إجمالاً، ومع ذلك لا تزال تفصل مستويات طاقة الإلكترونات بناءً على دورانها المغزلي (spin). وهذا يخلق نظاماً خفياً لا يدمر الموصلية الفائقة، بل يعيد تشكيلها، مما قد يفتح آفاقاً جديدة في الفيزياء حيث يمكن للكهرباء أن تحمل المعلومات بطرق تكون محصنة ضد الضجيج والأخطاء التي تعاني منها التكنولوجيا الحالية.

قام باحث في جامعة طوكيو الآن برسم خريطة دقيقة لكيفية تفاعل هذه المغناطيسات الغريبة مع الموصلات الفائقة، كاشفاً عن مشهد من الاحتمالات يعتمد كلياً على الشكل المحدد للنظام المغناطيسي. ومن خلال بناء نماذج حاسوبية مفصلة لهذه المواد على شبكات مربعة ومثلثية، استكشف الباحث ما يحدث عندما يتم دمج أنواع مختلفة من المغناطيسات مع إلكترونات الموصل الفائق. وقد ركز على عائلة من المغناطيسات المصنفة بالأحرف p و d و f و g و i، والتي تصف الأنماط الهندسية المعقدة لمجالاتها المغناطيسية الداخلية. ووجدت الدراسة أن هذه المغناطيسات لا تسلك جميعها السلوك نفسه؛ بل تنقسم بدلاً من ذلك إلى معسكرين متميزين بقواعد مختلفة جوهرياً. إحدى المجموعتين، وهي "الألترماجنيت"، والتي تضم النوعين d و g و i، تكسر تناظراً جوهرياً للزمن، بينما المجموعة الأخرى، وهي المغناطيسات ذات التكافؤ الفردي، والتي تضم النوعين p و f، تحافظ عليه. هذا الاختلاف الوحيد هو ما يحدد ما إذا كان الموصل الفائق الناتج سيحتضن نوعاً واحداً من الجسيمات الغريبة أو نوعاً آخر.

عندما ربط الباحث الموصل الفائق مع "الألترماجنيت"، اكتشف أن النظام المغناطيسي يعمل بنشاط على تثبيت حالة موصلية فائقة حلزونية (chiral) دوارة. في هذه الحالة، يتقترن الإلكترونات بطريقة تخلق فجوة طاقة كاملة، مما يعني عدم وجود إلكترونات حرة للتشتت والتسبب في المقاومة. والأهم من ذلك، أن هذه الحالة هي حالة "طوبولوجية"، وهو مصطلح يصف خاصية للمادة تكون قوية ضد التغييرات الصغيرة، تماماً مثل عقدة لا يمكن فكها دون قطع الحبل. في هذه الأنظمة، تصبح حواف المادة بمثابة طرق سريعة لجسيمات خاصة تسمى "فرميونات مايورانا". هذه الجسيمات هي جسيمات مضادة لنفسها ويمكنها التحرك على طول الحافة دون تشتت. ووجد الباحث أنه بالنسبة للألترماجنيت من نوع الموجة d والموجة g، فإن حالة الحافة هذه تتميز بقناة تدفق واحدة، ولكن بالنسبة للألترماجنيت من نوع الموجة i، فإن الموقف أكثر روعة؛ ففي حالة الموجة i، تظهر قناتان متمايزتان من حالات الحافة هذه في آن واحد، وهي ميزة قد تكون حاسمة لبناء أجهزة كمومية أكثر تعقيداً.

في المق المقابل، عندما تم دمج الموصل الفائق مع المغناطيسات ذات التكافؤ الفردي، كانت النتيجة مختلفة. ولأن هذه المغناطيسات تحافظ على تناظر انعكاس الزمن، فهي لا تجبر الموصل الفائق على التحول إلى حالة حلزونية دوارة. بدلاً من ذلك، تعمل على تثبيت نوع مختلف من النظام الطوبولوجي حيث لا تتدفق جسيمات مايورانا على طول الحافة في خط واحد فحسب، بل تشكل "نطاقات مسطحة" من حالات الطاقة الصفرية. هذه النطاقات المسطحة هي في الأساس منصة واسعة ومستقرة لهذه الجسيمات الغريبة توجد بين الفجوات في طيف طاقة المادة. وأشار الباحث إلى أنه على الرغم من أن النظام المغناطيسي في هذه الأنظمة يتسبب حتماً في حدوث اختلاط طفيف بين حالات الموصلية الف فائقة، إلا أن النطاقات المسطحة تظل قوية بشكل ملحوظ. وتوحي هذه المرونة بأن هذه الحالات يمكن إنشاؤها والحفاظ عليها بشكل موثوق، حتى في الظروف الواقعية غير المثالية.

كما أوضحت الدراسة لماذا تختفي بعض حالات الموصلية الفائقة في وجود نظام مغناطيسي قوي بينما تزدهر حالات أخرى. بالنسبة لـ "الألترماجنيت"، فإن الموصلية الفائقة التقليدية من نوع الموجة s، وهي الأكثر شيوعاً وتماثلاً في جميع الاتجاهات، تتدمر بسرعة مع زيادة قوة المغناطيسية. ويحدث هذا لأن الانقسام المغناطيسي يجبر الإلكترونات ذات الدوران المغزلي نفسه على احتلال نفس حالات الزخم، وهو ما يتعارض مع شرط أن يكون للأزواج الإلكترونية القياسية دورانات مغزلية متعاكسة. ومع ذلك، فإن حالة الموجة p الحلزونية، التي تقرن الإلكترونات ذات الدوران المغزلي نفسه، ليست متوافقة مع هذه البيئة المغناطيسية فحسب، بل يتم تثبيتها بواسطتها. وقد لاحظ الباحث أنه مع نمو القوة المغناطيسية، ستنتقل المادة من موصل فائق قياسي إلى هذه الحالة الحلزونية الغريبة، وهو تحول كان واضحاً في مخططات الطور الخاصة بهم.

ومن خلال تغيير "الجهد الكيميائي" بشكل منهجي، والذي يتحكم في عدد الإلكترونات في النظام، وقوة التفاعلات بينها، أنشأ الباحث خريطة شاملة لهذه الأطوار. ووجد أن البنية الشبكية المحددة للمادة، سواء كانت شبكة مربعة أو مثلثية، لعبت دوراً حاسماً في تحديد حالة الموصلية الفائقة التي ستظهر. فعلى سبيل المثال، وُجد أن الموصلية الفائقة من نوع الموجة f، والتي تتضمن نمطاً هندسياً أكثر تعقيداً، مستقرة فقط على الشبكة المثلثية. وتؤكد النتائج أن التفاعل بين هذه الأنظمة المغناطيسية الجديدة والموصلية الفائقة ليس مجرد مسأ matter من تدمير أحدهما للآخر، بل هو حوار غني يمكن أن ينتج حالات جديدة تماماً للمادة. يوفر هذا العمل مخططاً نظرياً لتحديد المواد التي قد تحتضن جسيمات مايورانا المراوغة هذه، مما يوجه التجارب المستقبلية نحو تركيبات محددة من النظام المغناطيسي وهندسة الشبكة الأكثر احتمالاً للنجاح.