Probing wetting and solidification dynamics of neon thin films with a high- superconducting circuit
تستخدم هذه الدراسة رنانًا فائق التوصيل ذو درجة حرارة حرجة عالية لتوصيف ديناميكيات البلل والتصريف والتذبذب المعقدة لأغشية النيون السائل بالقرب من النقطة الثلاثية، كاشفةً أنه في حين يتيح التغليف المحكم استقصاء سلوكيات الموائع غير المتوازنة وفقدان الموجات الدقيقة المنخفض، فإنه يخفق في توفير التحكم الدقيق في السماكة اللازم لنمو أغشية النيون الصلبة للتطبيقات الكمومية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في السعي لبناء حواسيب كمومية أفضل، يبحث العلماء باستمرار عن مواد يمكنها الاحتفاظ بالمعلومات الكمومية الدقيقة دون فقدانها للعالم المحيط بها. يتضمن أحد المسارات الواعدة احتجاز الإلكترونات على سطح الغازات المتجمدة، وتحديداً النيون. ولأن النيون الصلب نقي للغاية ويفتقر إلى الضجيج المغناطيسي الموجود في العديد من المواد الأخرى، يمكن للإلكترونات التي تحوم فوقه أن تحافظ على حالتها الكمومية لفترات طويلة بشكل مفاجئ. ومع ذلك، لاستخدام هذه الإلكترونات كبتات (bits) معلومات موثوقة، يحتاج الباحثون إلى تنمية غشاء النيون بدقة فائقة. وتكمن الصعوبة في أن الظروف المطلوبة لتجميد النيون هي أكثر دفئاً بكثير من درجات الحرارة التي تعمل فيها الدوائر الكمومية القياسية، مما يجعل من الصعب مراقبة تشكل الغشاء في الوقت الفعلي. ولحل هذه المشكلة، لجأ العلماء إلى نوع خاص من المواد فائقة التوصيل التي تظل نشطة عند درجات الحرارة الأعلى هذه، مما يسمح لهم بالنظر مباشرة في عملية التجمد.
استخدم فريق من الباحثين في جامعة شيكاغو وجامعة ستانفورد هذا النهج الآن لمراقبة كيفية سلوك أغشية النيون أثناء تشكلها وتجمدها. لقد صنعوا مستشعراً صغيراً وحساساً مصنوعاً من مادة فائقة التوصيل تعمل في درجات حرارة عالية تسمى YBCO، والتي تظل فائقة التوصيل حتى عندما يكون النيون في حالة سائلة. وُضع هذا المستشعر داخل حاوية محكمة الإغلاق حيث كان بإمكانهم إدخال غاز النيون وتبريده. ومن خلال قياس كيفية تغير الاهتزازات الكهربائية للمستشعر، استطاع الفريق تتبع سمك طبقة النيون أثناء نموها من غاز إلى سائل ثم إلى صلب. سمح هذا الإعداد بمراقبة العملية في الوقت الفعلي، وهو أمر كان مستحيلاً في السابق باستخدام المعدات القياسية التي تتوقف عن العمل عند درجات الحرارة هذه.
بينما كانوا يملؤون الحاوية بغاز النيون ويبردونها إلى ما فوق نقطة تجمدها بقليل، شاهد الباحثون الغشاء السائل وهو ينتشر عبر المستشعر. في البداية، شكل النيون طبقة رقيقة ومنتظمة استقرت عند سمك حوالي 20 نانومتر. وبمجرد اكتمال هذه الطبقة الرقيقة، أدت إضافة المزيد من النيون إلى زيادة سمك الغشاء بشكل كبير، لكن السلوك أصبح غير متوقع. في بعض الحالات، كان مستوى السائل يتذبذب بعنف، مرتفعاً ومنخفضاً في موجات إيقاعية حتى دون إضافة أي غاز جديد. يشير هذا عدم الاستقرار إلى أن الأغشية السائلة السميكة في هذه البيئة حساسة للغاية للتغيرات الطفيفة في الحرارة والتبخر. كما اكتشف الفريق أنه يمكنهم التحكم في سمك الغشاء السائل عن طريق تطبيق جهد كهربائي صغير على المستشعر، مما يسحب السائل ليكون أقرب ويجعل الغشاء أكثر سمكاً. وتعد هذه القدرة على ضبط الغشاء في مكانه أداة قوية لدراسة كيفية سلوك هذه المواد.
كان الجزء الأكثر أهمية في التجربة هو مراقبة ما يحدث عندما يتجمد النيون السائل إلى صلب. قام الباحثون بتبريد النظام عبر نقطة التجمد وقاسوا سمك الغشاء الصلب الناتج. ووجدوا أن الغشاء الصلب كان دائماً تقريباً أقل سمكاً بكثير من السائل الذي جاء منه، وغالباً ما ينكمش بمقدار عشرة أضعاف أو أكثر. والأهم من ذلك، اكتشفوا أنه لا يمكنهم التنبؤ بالسمك النهائي للغشاء الصلب بناءً على مدى سمك الطبقة السائلة قبل تجمدها. فسواء بدأوا بطبقة سائلة رقيقة أو سميكة، فإن الغشاء الصلب الناتج تباين بشكل واسع، ولم يظهر أي اتصال قوي بالظروف الأولية. يشير هذا النقص في السيطرة إلى أن عملية التجمد هي عملية فوضوية وغير منتظمة، مما يشكل عقبة كبيرة أمام إنشاء الأغشية الدقيقة والمنتظمة اللازمة للأجهزة الكمومية عالية الأداء.
على الرغم من التحديات في التحكم في سمك الغشاء، وجد الباحثون فائدة مفاجئة لوجود النيون على المستشعر. فمع نمو غشاء النيون، تحسنت جودة الإشارة الكهربائية للمستشعر بالفعل، حيث أصبحت أكثر حدة واستقراراً. حدث هذا التحسن لكل من النيون السائل والصلب. حقق الفريق في ما إذا كان هذا مجرد نتيجة لأن النيون يحجب مصدراً آخر للفقد الكهربائي، لكن حساباتهم أظهرت أن هذا لم يكن هو الحال. بدلاً من ذلك، يبدو أن وجود غشاء النيون يتفاعل مع المادة فائقة التوصيل بطريقة تقلل من فقدان الطاقة، ربما من خلال التأثير على سلوك الشحنات الكهربائية الصغيرة داخل المادة. تشير هذه النتيجة إلى أن طلاء الدوائر فائقة التوصيل بالغازات الخاملة المكثفة يمكن أن يساعدها بالفعل على الأداء بشكل أفضل، بدلاً من أن تكون مجرد طبقة خاملة.
تخلص الدراسة إلى أنه بينما تعتبر الحاويات محكمة الإغلاق ممتازة لمراقبة الديناميكيات المعقدة والفوضوية لأغشية النيون، إلا أنها قد لا تكون الطريقة الأفضل لنمو النيون الصلب بسمك محكوم بدقة. تبدو عملية التجمد حدثاً غير متوازن حيث تكون النتيجة النهائية غير متوقعة إلى حد كبير. بالنسبة لمستقبل الحواسيب الكمومية القائمة على الإلكترونات، يعني هذا أن الباحثين قد يحتاجون إلى البحث عن طرق بديلة لنمو هذه الأغشية، ربما عن طريق ترسيب الغاز مباشرة على سطح بارد بدلاً من تجميد سائل. قد توفر مثل هذه الطرق التحكم الدقيق اللازم لإنشاء الأسطح الناعمة والمنتظمة المطلوبة للجيل القادم من التكنولوجيا الكمومية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.