Pomeranchuk-like electronic localization above 100 K in twisted MoS$_{2}$

في العالم المجهري للإلكترونيات الحديثة، يتعلم العلماء كيفية بناء مواد ذرة بذرة، عبر تكديم طبقات رقيقة مثل مجموعة من أوراق اللعب لخلق قواعد جديدة تماماً لكيفية تدفق الكهرباء. وعندما يتم تدوير طبقتين من هذا النوع ضد بعضهما البعض بزاوية طفيفة، فإنهما تشكلان نمطاً متكرراً ضخماً يسمى "شبكة مورييه الفائقة" (moiré superlattice). يعمل هذا النمط كنوع جديد من التضاريس للإلكترونات، حيث يحبسها في وديان ضيقة تتفاعل فيها بقوة مع بعضها البعض. وعادةً، عندما تصبح الإلكترونات مزدحمة للغاية أو باردة جداً، فإنها تتجمد في حالة عازلة صلبة. ومع ذلك، في بعض المواد الخاصة، يمكن لرفع درجة حرارتها أن يجعلها تتجمد بشكل أقوى. هذا السلوك المنافي للحدس، حيث تعمل الحرارة على تعزيز النظام بدلاً من تفكيكه، يُعرف باسم "تأثير بوميرانتشوك" (Pomeranchuk effect)، نسبةً إلى عالم فيزياء كان أول من تنبأ به في الهيليوم السائل منذ عقود. إن فهم كيف ولماذا يحدث هذا في المواد الصلبة قد يفتح طرقاً جديدة للتحكم في الكهرباء والمعلومات، لكن العثور على مادة تظهر هذا التأثير بوضوح في درجات حرارة يمكننا الوصول إليها بسهولة كان يمثل تحدياً كبيراً.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة لمراقبة هذه الظاهرة الغريبة في مادة تسمى "ثنائي كبريتيد الموليبدينوم الملتوي" (twisted molybdenum disulfide أو MoS2). فمن خلال تكديم طبقتين من هذا شبه الموصل بعناية وتدويرهما بزوايا محددة جداً، خلقوا منصة تتصرف فيها الإلكترونات بطرق مدهشة. ركز العلماء على "نطاق التوصيل" (conduction band)، وهو المسار الذي تسلكه الإلكترونات عندما تكون حرة في الحركة وحمل التيار، بدلاً من "نطاق التكافؤ" (valence band) حيث تستقر عادةً دون حركة. وبينما ركزت الدراسات السابقة على مواد مماثلة في الغالب على الإلكترونات الساكنة، تمكن هذا الفريق من دراسة الإلكترونات المتحركة، متجاوزين عقبة تقنية كبيرة: وهي كيفية إنشاء اتصالات كهربائية مستقرة بالمادة دون إتلافها عند درجات حرارة منخفضة للغاية. وقد نجحوا في ذلك باستخدام تصميم خاص يكشف المادة من خلال نافذة صغيرة، مما سمح لهم بقياس تدفق الكهرباء من قرب الصفر المطلق وصولاً إلى درجة حرارة الغرفة.

اختبر الباحثون عدة عينات، كل منها ملتف بزاوية مختلفة قليلاً، تتراوح بين 2.3 و3.5 درجة تقريباً. واكتشفوا أن سلوك الإلكترونات يتغير بشكل جذري اعتماداً على هذه الزاوية. ففي العينات ذات زاوية الالتواء الأصغر، شكلت الإلكترونات حالة مستقرة ومنظمة يمكنها الصمود في درجات حرارة تصل إلى 160 كلفن، وهي درجة أعلى بكثير من درجة غليان النيتروجين السائل. ومع زيادة زاوية الالتواء إلى مستوى متوسط، انهارت هذه الاستقرارية، ولم تعد الحالة المنظمة قادرة على الصمود إلا في درجات حرارة تتراوح بين 20 إلى 30 كلفن. لكن الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة جاء من العينة ذات أكبر زاوية التواء، والتي بلغت حوالي 3.5 درجة. في هذا التكوين المحدد، عندما رفع الباحثون درجة حرارة المادة، لم تبدأ الإلكترونات في التحرك بحرية أكبر كما هو متوقع، بل على العكس، جعلت الحرارة الإلكترونات تلتصق في مكانها بقوة أكبر. وهذا هو السمة المميزة لتأثير يشبه تأثير بوميرانتشوك: فالطاقة الحرارية، التي تذيب الجليد أو المعدن عادةً، ساعدت بدلاً من ذلك في حبس الإلكترونات في حالة عازلة موضعية.

كان هذا الانحباس الناجم عن الحرارة قوياً بشكل خاص عند كثافة محددة، حيث يوجد إلكترون واحد بالضبط لكل وحدة متكررة من النمط. ومع ارتفاع درجة الحرارة من قرب الصفر المطلق إلى حوالي 50 كلفن، زادت المقاومة الكهربائية للمادة، مما يشير إلى أن الإلكترونات أصبحت أكثر تموضعاً. والأكثر غرابة هو أنه عند كثافة إلكترونين لكل وحدة، استمر هذا السلوك الغريب في درجات حرارة فوق 100 كلفن، رغم أن الإشارة كانت أضعف. كما اختبر الباحثون كيفية استجابة هذه الإلكترونات للمجالات المغناطيسية لفهم ما الذي يبقيها في مكانها. ووجدوا أن التأثير حساس للغاية لاتجاه المجال المغناطيسي؛ فالمجال المغناطيسي المطبق بشكل عمودي على المادة جعل الإلكترونات تلتصق بقوة أكبر، بينما لم يكن للمجال المطبق بشكل موازٍ للسطح أي تأثير تقريباً. وهذا يختلف عن التأثيرات المماثلة المشاهدة في "الجرافين الملتوي"، حيث تستجيب الإلكترونات بشكل متساوٍ تقريباً للمجالات المغناطيسية من أي اتجاه. ويشير هذا الاختلاف القوي إلى أن الإلكترونات في مادة MoS2 الملتوية ليست مجرد دوران بسيط، بل هي على الأرجى متأثرة بمزيج معقد من موقعها في الطبقات وخصائصها الكمومية المحددة المتعلقة بالبنية الذرية للمادة.

تشير الدراسة إلى أن هذه الإلكترونات تتصرف مثل سائل ثقيل، حيث تتحرك ببطء أكبر بكثير من الإلكترونات العادية، مما يلمح إلى حالة من المادة تُعرف باسم "سائل فيرمي الثقيل" (heavy Fermi liquid). ويرى الباحثون أن الإلكترونات تشكل عزوم مغناطيسية موضعية متذبذبة، وأن الحرارة تساعد في تثبيت هذه التذبذبات، مما يؤدي فعلياً إلى حبس الإلكترونات. ويعد هذا الاكتشاف مهماً لأنه يظهر أن زاوية الالتواء ليست مجرد قرص للتحكم في قوة التفاعلات صعوداً وهبوطاً، بل هي أداة يمكنها تغيير الطبيعة الجوهرية للمادة نفسها. فمن خلال ضبط الزاوية، يمكن للعلماء التنقل بين النظام القوي عالي الحرارة، والحالة المتوسطة الهشة، وهذا النظام غير العادي حيث تعزز الحرارة النظام. إن حقيقة إمكانية ملاحظة هذا التأثير في درجات حرارة تزيد عن 100 كلفن تجعل المادة مرشحة واعدة للدراسات المستقبلية، مما يوفر نافذة جديدة لفهم كيفية ظهور الحالات الكمومية المعقدة والتحكم فيها في المواد أشباه الموصلة.