Observation of the electronic Pomeranchuk effect in generalized Wigner crystals of twisted MoS$_2$

في المشهد الشاسع للفيزياء الحديثة، تحدث ثورة هادئة داخل مواد لا يتجاوز سمكها بضع ذرات. لعقود من الزمن، فتن العلماء بفكرة "النطاقات المسطحة" (flat bands)، وهي حالة تفقد فيها الإلكترونات حريتها المعتادة في التحرك بسرعة، وبدلاً من ذلك تتحرك ببطء شديد، كما لو كانت تخوض في مادة لزجة كثيفة. عندما تتحرك الإلكترونات بهذا البطء، فإنها تتوقف عن التصرف كجسيمات مستقلة وتبدأ في التصرف كمجموعة جماعية واحدة، متأثرة بشدة بمدى تنافرها مع بعضها البعض. هذا التنافر يمكن أن يجبرها على ترتيب نفسها في أنماط بلورية صلبة، تماماً مثل الناس في غرفة مزدحمة يبتعدون عن بعضهم البعض لإعطاء مساحة لكل منهم. عادة ما تكون الحرارة هي العدو لهذا النوع من النظام؛ فرفع درجة حرارة نظام ما يؤدي غالباً إلى جعل هذه الهياكل الدقيقة تذوب وتعود إلى حالة سائلة غير منظمة. ومع ذلك، تلعب الطبيعة أحياناً خدعة على حدسنا، حيث تسمح للحرارة بالقيام بعكس ذلك: فبدلاً من إذابة الصلب، يمكن للحرارة أحياناً أن تكون هي العامل الذي يجمده.

هذه الظاهرة المنافية للحدس، والمعروفة باسم "تأثير بوميرانشوك" (Pomeranchuk effect)، لوحظت لأول مرة في الهيليوم السائل، حيث أدى تسخين السائل في الواقع إلى تجميده. والآن، وجد الباحثون تأثيراً مشابهاً في مجال مختلف تماماً: بلورة اصطناعية مكونة من طبقات ملتوية من ثاني كبريتيد الموليبدينوم. من خلال تكديم طبقتين من هذه المادة مع التواء طفيف، خلقوا نمطاً متكرراً من التلال والوديان يحجز الإلكترونات. نجح الفريق، بقيادة علماء من جامعة فودان وجامعة ويستليك، في اكتشاف أنه عند كثافات محددة، فإن تسخين هذه المادة من قرب الصفر المطلق إلى حوالي عشر درجات فوق الصفر المطلق لا يؤدي إلى إذابة سائل الإلكترونات، بل إن الحرارة تحفز الإلكترونات لتنغلق في بلورة عازلة عالية التنظيم. يكشف هذا الاكتشاف عن طريقة جديدة يمكن للحرارة والاضطراب من خلالها العمل معاً لخلق الاستقرار، مما يقدم منظوراً جديداً لكيفية سلوك المادة عندما تُدفع إلى حدودها القصوى.

بدأ الباحثون ببناء نوع محدد جداً من الأجهزة. أخذوا طبقتين منفردتين من ثاني كبريد الموليبدينوم، وهي مادة تبدو مثل شطيرة من ذرات الكبريت والموليبدينوم، ووضعوهما فوق بعضهما البعض. لم يجعلا الطبقتين متطابقتين تماماً، بل قاما بلف إحدى الطبقتين قليلاً بالنسبة للأخرى، مما خلق نمط تداخل واسع النطاق يُعرف باسم "شبكة موري الفائقة" (moiré superlattice). فكر في هذا النمط كشبكة جديدة وأكبر من المصائد للإلكترونات، حيث يتم تحديد المسافة بين المصائد من خلال زاوية الالتواء. في أحد أجهزتهم، قاموا بلف الطبقات بزاوية 4.1 درجة، وفي جهاز آخر، بزاوية 3.9 درجة. ولضمان قدرتهم على قياس تدفق الكهرباء بدقة دون فقدان الإشارة عند الحواف، استخدموا معدناً خاصاً، وهو البزموت، لإنشاء اتصالات تسمح للإلكترونات بالتدفق للداخل والخارج بسلاسة، حتى في درجات الحرارة المنخفضة للغاية المطلوبة للتجربة.

بمجرد تجهيز الجهاز، قام الفريق بتبريده إلى 1.5 كلفن، وهي درجة حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق حيث تكاد تنعدم الارتجافات الحرارية. ثم ملؤوا مصائد الإلكترونات بعدد دقيق من الإلكترونات، مستهدفين كسوراً محددة من المواقع المتاحة. ركزوا على سيناريوهين محددين: أحدهما حيث يوجد إلكترون واحد لكل ثلاث مصائد، والآخر حيث يوجد إلكترون واحد لكل أربع مصائد. عند درجات الحرارة الفائقة البرودة هذه، تصرفت الإلكترونات كسائل؛ حيث تحركت بحرية، واتبعت المقاومة الكهربائية نمطاً يمكن للعلماء التعرف عليه كـ "سائل فيرمي" (Fermi liquid)، وهي حالة تعمل فيها الإلكترونات كأنه نهر هادئ ومتدفق. كان هذا هو السلوك المتوقع؛ فالنظام كان معدناً موصلاً.

بعد ذلك، بدأ الباحثون في تسخين العينة، حيث رفعوا درجة الحرارة ببطء من 1.5 كلفن باتجاه 60 كلفن. وبينما كانوا يفعلون ذلك، حدث شيء غريب. فبدلاً من انخفاض المقاومة أو استقرارها مع تحرك الإلكترونات بشكل أسرع، بدأت المقاومة في الارتفاع بشكل حاد. وبحلول الوقت الذي وصلت فيه درجة الحرارة إلى حوالي 13 كلفن، تحولت المادة من موصل إلى عازل. الإلكترونات، التي كانت تتدفق بحرية قبل لحظات، توقفت فجأة عن الحركة وانغلقت في مكانها. كان هذا عكس ما يحدث عادة عند تسخين جسم صلب؛ فعادة ما توفر الحرارة الطاقة اللازمة لكسر الروابط وإنشاء سائل. هنا، كانت الحرارة هي التي تدفع النظام ليصبح أكثر صلابة.

يكمن التفسير في هذا في شكل خفي من الاضطراب يوجد داخل الإلكترونات نفسها. تمتلك الإلكترونات خاصية تسمى "الأيزوسبين" (isospin)، والتي يمكن اعتبارها مزيجاً من دورانها المغزلي (spin) وموقع "الوادي" الخاص بها داخل بنية المادة. عندما تتدفق الإلكترونات بحرية في البرودة، فإنها تميل إلى الاقتران بطريقة منظمة، مما يحافظ على حالاتها الداخلية منظمة نسبياً ومنخفضة في الإنتروبيا (الاضطراب). ومع ذلك، عندما تُجبر الإلكترونات على التوقف والجلوس في أماكن محددة لتشكيل بلورة، فإنها تصبح بعيدة عن بعضها البعض. هذه المسافة تضعف التفاعل بينها، مما يترك حالات "الأيزوسبين" الداخلية حرة في الدوران والتشير في اتجاهات عشوائية. هذا العشوائية تخلق قدراً هائلاً من الإنتروبيا.

وفقاً لقوانين الديناميكا الحرارية، تسعى الأنظمة طبيعياً إلى الحالة ذات الإنتروبيا الأعلى. عند درجات الحرارة المنخفضة، تكون تكلفة الطاقة لتشكيل بلورة مرتفعة جداً، لذا تبقى الإلكترونات سائلة. ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة، يكتسب النظام طاقة حرارية كافية لدفع تلك التكلفة. وبمجرد حدوث ذلك، يدرك النظام أن حالة البلورة "المتجمدة" توفر في الواقع مستوى أعلى بكثير من الاضطراب الداخلي مقارنة بحالة السائل المتدفق. الحرارة تدفع الإلكترونات نحو البلورة لأن البلورة تسمح لها بأن تكون أكثر فوضوية في الداخل. هذا هو النسخة الإلكترونية من تأثير بوميرانشوك: النظام يتجمد لأن الحالة الصلبة أكثر اضطراباً من الحالة السائلة.

أكد الفريق هذا السلوك من خلال تطبيق مجالات مغناطيسية ومراقبة استجابة الإلكترونات لها. وجدوا أن الإلكترونات كانت بالفعل تنغلق في نمط محدد، مكونة ما يعرف بـ "بلورة وينر المعممة" (generalized Wigner crystal). في حالة ملء "واحد من ثلاثة"، رتبت الإلكترونات نفسها في نمط مثلثي، بينما أنشأ ملء "واحد من أربعة" نمطاً يشبه الخطوط. كما قاس الباحثون استجابة المادة للمجالات المغلقة ووجدوا أن الإلكترونات كانت حساسة جداً لها، مما أكد أن حالاتها الداخلية كانت بالفعل هي المفتاح لهذا التحول. أشارت قوة الاستجابة المغناطيسية إلى أن الإلكترونات كانت تتصرف بطريقة تحافظ على حريتها الداخلية حتى وهي مقيدة مادياً في مكانها.

هذا الاكتشاف مهم لأنه يظهر أن هذه الخدعة الديناميكية الحرارية الغريبة لا تقتصر على الأنظمة البسيطة أو الأعداد الصحيحة فقط من الإلكترونات. فهي تعمل حتى عندما تكون كثافة الإلكترونات كسراً، مثل الثلث أو الربع من المواقع المتاحة. وهذا يشير إلى أن التنافس بين طاقة الحركة وطاقة التنافر هو توازن دقيق يمكن للحرارة أن تقلب موازينه في ظروف متنوعة. وأشار الباحثون إلى أن زوايا الطبقات الملتوية المحددة، 4.1 و3.9 درجة، كانت حاسمة لخلق البيئة المناسبة لحدوث هذا التأثير. فلو كانت الطبقات ملتوية بشكل مختلف، لربما تغير التوازن، ولربما لم يظهر التأثير.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد فهم مادة واحدة. فهو يوفر أداة جديدة للعلماء لاستكشاف كيف تنظم المادة نفسها عندما تُدفع إلى حافة الاستقرار. ومن خلال إظهار أن الحرارة يمكن أن تقود عملية التبلور في مادة ثنائية الأبعاد، تفتح هذه الدراسة الباب لتصميم أجهزة إلكترونية جديدة يمكنها التبديل بين الحالات الموصلة والعازلة ببساطة عن طريق تغيير درجة حرارتها. كما أنها تعمق فهمنا للقواعد الأساسية التي تحكم تفاعل الإلكترونات، كاشفة أن الطريق إلى النظام يمكن أحياناً أن يُعبد بالاضطراب. ويخطط الباحثون لمواصلة استكشاف هذه المواد، بحثاً عن حالات كسرية أخرى قد يظهر فيها هذا التأثير، ومحاولة رسم الخريطة الكاملة لكيفية سلوك هذه البلورات الملتوية تحت ظروف مختلفة.

في النهاية، قصة ثاني كبريد الموليبدينوم الملتوي هذه هي تذكير بأن قواعد العالم اليومي لا تنطبق دائماً عند المقياس الذري. فما يبدو عملية تسخين بسيطة يمكن، في ظل ظروف معينة، أن يعمل كعامل تجميد، محولاً السائل إلى صلب. لم تكن الإلكترونات في هذه التجربة تتفاعل مع الحرارة فحسب، بل استخدمتها لتجد شكلاً جديداً وأكثر استقراراً لوجودها. يقف تأثير بوميرانشوك الإلكتروني هذا كشهادة على تعقيد وجمال عالم الكم، حيث تكون النتائج الأكثر غرابة هي غالباً الأكثر كشفاً للحقيقة.