Field-free dual superconducting diode via photon-assisted interference

في عالم الإلكترونيات، يُعد الثنائي (الديود) حارسًا متواضعًا ولكنه أساسي. فهو مكون يسمح للتيار الكهربائي بالتدفق بسهولة في اتجاه واحد بينما يمنعه في الاتجاه الآخر، تمامًا مثل شارع ذي اتجاه واحد للإلكترونات. هذه الوظيفة البسيطة هي حجر الزاوية في الحوسبة الحديثة، حيث تسمح للأجهزة بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر ومعالجة الإشارات الرقمية. ومع ذلك، فإن الثنائيات التي نستخدمها اليوم مبنية من أشباه الموصلات، وهي مواد تجد صعوبة في الأداء بكفاءة عند تبريدها إلى درجات الحرارة القصوى المطلوبة للحواسيب الكمومية والأدوات العلمية الحساسة. عند هذه المستويات المتجمدة، القريبة من الصفر المطلق، تفقد ثنائيات أشباه الموصلات التقليدية فعاليتها، مما يخلق عنق زجاجة للجيل القادم من التكنولوجيا فائقة السرعة ومنخفضة الطاقة. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة لإنشاء ثنائي يعمل بشكل مثالي في ظروف التجميد العميق هذه، ويفضل أن يكون قادرًا على التعامل مع نوعين مختلفين من التدفق الكهربائي: الحركة المستقرة وعديمة الاحتكاك لأزواج الإلكترونات، والحركة الأكثر فوضوية واستنزافًا للطاقة للإلكترونات الفردية.

وقد أظهر فريق من الباحثين الآن حلاً باستخدام وصلة نفقية فائقة التوصيل قياسية، وهي جهاز صغير يتكون من طبقتين من الألمنيوم يفصل بينهما حاجز عازل رقيق. وبدلاً من الاعتماد على مجموعات مواد معقدة أو مجالات مغناطيسية خارجية لإجبار الثنائي على العمل، استخدموا حيلة ذكية تتضمن موجات الميكروويف. فمن خلال غمر الوصلة بنمط محدد من إشعاع الميكروويف، تمكنوا من كسر التماثل الطبيعي للجهاز، مما حوله فعليًا إلى ثنائي مزدوج الوظيفة. يمكن لهذا الجهاز الجديد أن يعمل كحارس مثالي لكل من التدفق عديم الاحتتكاك لأزواج الإلكترونات، والتدفق المبدد للإلكترونات الفردية، كل ذلك ضمن مكون واحد متماثل هندسيًا. ووجد الباحثون أنهم بمجرد ضبط توقيت إشارات الميكروويف، استطاعوا التبديل بين هذين الوضعين أو حتى عكس الاتجاه الذي يسمح فيه للتيار بالتدفق.

أُجريت التجربة داخل مبرد تمدد (dilution refrigerator)، وهو آلة قادرة على تبريد العينات إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 80 ميلي كلفن، وهي مجرد جزء ضئيل من درجة فوق الصفر المطلق. وكان قلب الإعداد عبارة عن وصلة صغيرة مصنوعة من الألمنيوم، وأكسيد الألمنيوم، والألمنيوم، بمساحة تبلغ حوالي 16 ميكرومتر مربع. في حالتها الطبيعية، ودون أي تأثير خارجي، تتصرف هذه الوصلة بشكل متماثل، مما يسمح للتيار بالمرور بشكل متساوٍ في كلا الاتجاهين. ولتغيير ذلك، طبق الباحثون "درايفر ثنائي التوافقي" (biharmonic drive)، وهو إشارة ميكروويف تتكون من ترددين يعملان معًا. فقد أرسلوا ترددًا أساسيًا قدره 1.405 جيجاهرتز وتوافقًا ثانيًا عند ضعف ذلك التردد بالضبط، أي 2.810 جيجاهرتز. وكان مفتاح التجربة ليس فقط وجود هذه الموجات، بل علاقة الطور النسبية بينهما، أو كيفية اصطفاف قمم وقيعان الموجتين مع بعضهما البعض في الوقت.

وعندما قام الباحثون بضبط علاقة الطور هذه، لاحظوا تحولًا دراماتيكيًا في كيفية حركة الكهرباء عبر الوصلة. ففي إعدادات معينة، عمل الجهاز كثنائي تيار فائق (supercurrent diode). في هذا الوضع، سمح لتدفق من أزواج الإلكترونات بالمرور دون أي مقاومة في اتجاه واحد، بينما منع ذلك التدفق عديم الاحتكاك في الاتجاه المعاكس. وهذه ميزة حاسمة للدوائر فائقة التوصيل، حيث يعد الحفاظ على حالة انعدام المقاومة أمرًا حيويًا للكفاءة. وفي إعدادات أخرى، غير الجهاز دوره ليصبح ثنائي "الجسيمات شبه الموصلة" (quasiparticle diode). هنا، أدار تدفق الإلكترونات الفردية، حيث سمح لها بالمرور بحرية في اتجاه واحد بينما كبح حركتها في الاتجاه الآخر. ووجد الباحثون أن كفاءة هذا التقويم (rectification) كانت تتفوق على الثنائيات أشباه الموصلات التقليدية، لا سيما عند درجات الحرارة المنخفضة هذه. استطاع الجهاز كبح التيار العكسي بفعالية كبيرة لدرجة أنه اقترب من حالة مثالية لا يتدفق فيها التيار للخلف على الإطلاق.

ومن أكثر جوانب هذا الاكتشاف إثارة هو القدرة على التحكم في اتجاه عمل الثنائي ببساطة عن طريق تغيير طور إشارة الميكروويف. فمن خلال إزاحة توقيت الموجات من إعداد إلى نظيره المعاكس، استطاع الباحثون قلب قطبية الثنائي فورًا. فالتيار الذي كان مسموحًا له بالتدفق للأمام أصبح فجأة محظورًا، بينما أصبح الاتجاه العكسي هو مسار المقاومة الأقل. هذا التغيير الديناميكي في القابلية لإعادة التشكيل يعني أن الجهاز ليس مكونًا ثابتًا، بل هو أداة قابلة للضبط يمكن تكييفها آنيًا. كما أظهر الفريق أن هذا النظام يمكنه تقويم إشارات التيار المتردد منخفضة التردد، وتحويلها إلى تيار مستمر. وفي تكوين محدد، صنعوا ما يسمونه "الثنائي المطلق" (absolute diode). تجمع هذه الحالة بين أفضل ما في العالمين: فهي توفر مقاومة صفرية عندما يتدفق التيار للأمام، ومقاومة لانهائية فعليًا عندما يحاول التدفق للخلف، مما يلغي فقدان الطاقة في حالتي التشغيل والإيقاف.

وتعتمد الآلية وراء هذا السلوك على التفاعل بين الإلكترونات في الوصلة والفوتونات، أو جسيمات الضوء، من درايفر الميكروويف. فعندما تُضرب الوصلة بتردد واحد من الميكروويف، يظل التفاعل متماثلًا، ويتصرف الجهاز بنفس الطريقة بغض النظر عن اتجاه التيار. ومع ذلك، فإن الجمع بين ترددين يخلق نمط تداخل معقد يكسر هذا التماثل. ويسمح هذا التداخل للجهاز باختيار مساعدة حركة الإلكترونات في اتجاه واحد مع إعاقتها في الاتجاه الآخر. وقد أكد الباحثون نتائجهم من خلال مقارنة بياناتهم التجريبية بالنماذج النظرية، والتي أظهرت توافقًا ملحوظًا. كما اختبروا الجهاز تحت ظروف مجال مغناطيسي مختلفة ووجدوا أن التأثير استمر حتى بدون مجال مغناطيسي خارجي، وهي ميزة كبيرة للتطبيقات العملية حيث يمكن أن تكون التداخلات المغناطيسية مشكلة.

يفتح هذا العمل مسارًا جديدًا لبناء دوائر إلكترونية تعمل في البرودة الشديدة المطلوبة للتقنيات الكمومية. ولأن الجهاز يعتمد على وصلات ألمنيوم قياسية وخطوط تحكم ميكروويف تقليدية، فهو متوافق مع تقنيات التصنيع المستخدمة حاليًا في الحواسيب الكمومية. إن القدرة على إنشاء ثنائي يعمل بدون مغناطيسات خارجية ويمكنه التعامل مع كلا النوعين من نقل الإلكترونات تشير إلى مستقبل تكون فيه الإلكترونيات المبردة (cryogenic electronics) أكثر كفاءة وتعددًا في الاستخدامات. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال تشكيل البيئة الكهرومغناطيسية بعناية، من الممكن هندسة تدفق الكهرباء عند مستواها الأساسي، وتحويل وصلة نفقية بسيطة إلى مكون متطور وقابل لإعادة التشكيل للجيل القادم من الحوسبة.