Vortex-mediated spin current injection into two-dimensional superconductor NbSe2

في عالم الإلكترونيات الحديثة، غالبًا ما تُنقل المعلومات عبر تدفق الشحنة الكهربائية، ولكن هناك كون موازٍ لنقل البيانات يعتمد على خاصية مختلفة: هي "اللف المغزلي" (Spin). اللف المغزلي هو شكل جوهري من أشكال الزخم الزاوي الذي تمتلكه الإلكترونات، حيث يعمل كإبرة بوصلة داخلية صغيرة يمكنها أن تشير إلى الأعلى أو الأسفل. لطالما حلم العلماء ببناء أجهزة تستخدم هذا اللف لنقل المعلومات، وهو مجال يُعرف باسم "السبينترونيكس" (spintronics)، لأنه يعد بسرعات أعلى وهدر أقل بكثير للطاقة مقارنة بالتكنولوجيا الحالية. ومع ذلك، كان العائق الرئيسي دائمًا هو المادة المستخدمة لتوصيل الكهرباء. ففي المعادن العادية، لا ينتقل معلومات اللف إلا لمسافة قصيرة قبل أن تتشوه. وفي الموصلات الفائقة، وهي المواد التي توصل الكهرباء بمقاومة صفرية، تكون المشكلة أكثر حدة. فداخل الموصل الفائق، تزدوج الإلكترونات لتشكل ما يسمى بـ "أزواج كوبر" (Cooper pairs). هذه الأزواج تقفل لفاتها في اتجاهات متعاكسة، مما يلغي بعضها البعض بحيث لا يحمل الزوج أي لف صافٍ على الإطلاق. لعقود من الزمن، كان هذا يعني أن الموصلات الفائقة كانت طرقًا مسدودة لنقل المعلومات القائمة على اللف، ما لم يجد الباحثون طريقة لكسر هذه القاعدة أو يجدوا حاملًا مختلفًا تمامًا.

لقد حدد فريق من الباحثين في جامعة الجنوب للعلوم والتكنولوجيا في شنتشن طريقة جديدة لنقل معلومات اللف عبر موصل فائق، متجاوزين بذلك القيود التي تفرضها أزواج الإلكترونات نفسها. لقد ركزوا على نوع معين من العيوب التي تظهر في الموصلات الفائقة عند تطبيق مجال مغناطيسي، وتُعرف باسم "الدوامة" (vortex). تخيل الموصل الفائق كبحيرة هادئة ومتجمدة حيث لا يمكن للمياه أن تتدفق؛ عندما يضغط مجال مغناطيسي من خلالها، فإنه يخلق دوامات صغيرة دوارة في الجليد. هذه الدوامات هي "الدوامات" (vortices). وبينما ركزت الدراسات السابقة على كيفية منع حركة هذه الدوامات للحفاظ على كفاءة الموصل الفائق، أدرك هذا الفريق أنه إذا تمكنوا من جعل هذه الدوامات تتحرك بطريقة معينة، فيمكنها حمل معلومات اللف معها. ومن خلال إنشاء "ساندوتش" من مادتين مختلفتين — بلورة فائقة التوصيل وعازل مغناطيسي — تمكنوا من حقن الل المغزلي في الموصل الفائق ومراقبته وهو ينتقل عبر هذه الدوامات المتحركة.

تضمنت التجربة شريحة رقيقة من موصل فائق يسمى "ثنائي سيلينيد النيوبيوم"، وُضعت مباشرة فوق عازل مغناطيسي يُعرف باسم "أكسيد ليتيوم ألومنيوم حديد". قام الباحثون بتسخين أحد جانبي هذه الطبقات وتبريد الآخر، مما خلق فرقًا في درجات الحرارة يتدفق رأسيًا عبر الطبقات. في موصل فائق عادي بدون الطبقة المغناطيسية، يتسبب هذا الفرق في درجات الحرارة في انجراف الدوامات من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، مما يولد جهدًا كهربائيًا صغيرًا. هذا تأثير معروف يسمى "تأثير نيرنست للدوامات" (vortex Nernst effect). ومع ذلك، في الإعداد الجديد مع وجود العازل المغناطيسي، حدث شيء غير متوقع؛ فقد حقنت الطبقة المغناطيسية تيارًا من الل المغزلي في الموصل الفائق. ووجد الباحثون أن هذا الل المغزلي المحقون دفع الدوامات للتحرك في الاتجاه المعاكس تمامًا لتدفق الحرارة. ونتيجة لذلك، انعكس إشارة الجهد الكهربائي الناتج عن حركة الدوامات، ليصبح عكس ما لوحظ في عينات الضبط. كان هذا الانعك reversal في الإشارة هو العلامة الرئيسية على أن الل المغزلي يتم حمله بواسطة الدوامات، مما أثبت أن الطبقة المغناطيسية نجحت في دفع حركة هذه العيوب.

وللتأكد من أن هذا التأثير نابع حقًا من الدوامات وليس من مصدر آخر، رسم الفريق بدقة خريطة للظروف التي يظهر فيها هذا التأثير. واكتشفوا أن التأثير لا يوجد إلا عندما يكون المجال المغناطيسي قويًا بما يكفي لإذابة الترتيب المنظم للدوامات وتحويلها إلى حالة سائلة فوضوية حيث يمكنها التحرك بحرية. فإذا كان المجال المغناطيسي ضعيفًا جدًا، تظل الدوامات عالقة في مكانها، ولا تظهر أي إشارة. وإذا ارتفعت درجة الحرارة فوق النقطة التي تصبح عندها المادة موصلة فائقة، تختفي الإشارة تمامًا. كان هذا الملاحظة الأخيرة حاسمة لأنها استبعدت احتمال أن تكون الإشارة ناتجة عن إلكترونات غير مقترنة حرة، تُعرف باسم "أشباه الجسيمات" (quasiparticles)، والتي يمكنها حمل الل ولكنها توجد فقط عندما لا تكون المادة في حالة توصيل فائق كاملة. ومن خلال إظهار أن التأثير يختفي تمامًا عند انتهاء حالة التوصيل الفائق، أكد الباحثون أن الدوامات نفسها هي الحامل الوحيد لمعلومات الل.

تشير النتائج إلى أن الدوامات ليست مجرد عوائق يجب قمعها، بل هي مشارك نشط في نقل الل. وتوضح الدراسة أن هذه العيوب الدوارة يمكن أن تعمل كرسل عالية الكفاءة، قادرة على حمل زخم الل المغزلي عبر مسافات طويلة نسبيًا داخل الموصل الفائق. يفتح هذا الاكتشاف مسارًا جديدًا لتصميم أجهزة "السبينترونيكس" فائقة التوصيل، حيث يمكن نقل المعلومات بأقل قدر من فقدان الطاقة. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال التحكم البسيط في درجة الحرارة والمجال المغناطيسي، يمكنهم توجيه تدفق الل عبر المادة. ورغم أن العمل لا يزال في مراحله الأولى لإثبات المفهوم، إلا أنه يضع آلية واضحة لكيفية حقن ونقل الل في الموصلات الفائقة، محولًا ميزة كانت مهملة سابقًا في هذه المواد إلى أداة محتملة للجيل القادم من تكنولوجيا الحوسبة.