Phase engineering of odd parity state in a quantum dot Josephson junction

تُعد الموصلات الفائقة مواد تنقل الكهرباء بمقاومة صفرية، وهي خاصية تسمح لها بنقل التيار دون فقدان أي طاقة على شكل حرارة. وفي العديد من التجارب المتقدمة، يستخدم العلماء هذه المواد لإنشاء دوائر دقيقة حيث تتصرف الإلكترونات بطرق جماعية غريبة. ويحدث أحد أكثر السلوكيات إثارة للاهتمام عندما يتم توصيل موصل فائق بنقطة كمومية، وهي جزيرة مجهرية صغيرة جداً لدرجة أنها لا تستطيع احتواء سوى عدد قليل من الإلكترونات. في هذا الإعداد، لا تكتفي الإلكترونات بالجلوس ساكنة؛ بل تتبادل الشركاء باستمرار مع الموصل الفائق، مكونة حالات طاقة خاصة تُعرف باسم "حالات أندريف المقيدة". وتتمثل الميزة الأهم لهذه الحالات في خاصية تُسمى "تكافؤ الفرميون"، والتي تصف ببساطة ما إذا كان العدد الإجمالي للإلكترونات في النظام زوجياً أم فردياً. وبينما قد يبدو هذا مجرد لعبة عد بسيطة، فإن التحكم في ما إذا كان النظام يفضل عدداً زوجياً أم فردياً من الإلكترونات يعد خطوة حاسمة نحو بناء أنواع جديدة من الحاسبات الكمومية واستكشاف فيزياء غريبة يمكن أن تُحدث ثورة في كيفية معالجتنا للمعلومات.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة للتحكم في حالة الزوج أو الفرد هذه في "وصلة جوزيفسون لنقطة كمومية"، وهو جهاز يتكون من نقطة كمومية محصورة بين طرفين موصلين فائقين. وبدلاً من استخدام الطريقة المعتادة المتمثلة في ضبط الجهود الكهربائية لتغيير عدد الإلكترونات، اكتشف العلماء أنه بإمكانهم قلب "تكافؤ" النظام ببساطة عن طريق تغيير فرق الطور بين الطرفين الموصلين الفائقين. وفي الموصلات الفائقة، يُعد الطور خاصية مرتبطة بالطبيعة الموجية للإلكترونات، ومن خلال تمرير مجال مغناطيسي عبر الحلقة التي يشكلها الجهاز، استطاع الباحثون ضبط هذا الطور بسلاسة. ووجدوا أنه عندما يصل فرق الطور إلى نقطة محددة، تتحول مستويات طاقة الإلكترونات بطريقة تجبر النظام على الانتقال من حالة أرضية ذات عدد زوجي إلى حالة فردية. وقد تميز هذا الانتقال بعبور مستويات طاقة الإلكترونات للصفر، وهي إشارة واضحة على أن الطبيعة الأساسية للجهاز قد تغيرت.

ولمراقبة هذه الظاهرة، بنى الفريق جهازاً باستخدام طبقة رقيقة من زرنيخيد الإنديوم، وهي مادة شبه موصلة، مغطاة بطبقة من الألمنيوم. واستخدموا عمليات نقش دقيقة وبوابات كهربائية لنحت منطقة ضيقة حيث يمكن أن تتشكل نقطة كمومية بين قطبين موصلين فائقين. وقاموا بتبريد الجهاز إلى درجة حرارة 50 مللي كلفن، وهي درجة أعلى قليلاً من الصفر المطلق، لضمان عدم تداخل الضوضاء الحرارية مع التأثيرات الكمومية الدقيقة. ثم قام الباحثون بقياس تدفق الإلكترونات عبر الجهاز أثناء تغيير المجال المغناطيسي والجهد المطبق على البوابات. وفي اختباراتهم الأولية، أكدوا أن الجهاز يعمل كنقطة كمومية قوية الاقتران، مما يعني أن الإلكترونات تتفاعل بكثافة مع الأطراف الموصلة الفائقة. وعندما رسموا خرائط لمستويات طاقة الإلكترونات، رأوا الأنماط المتذبذبة المتوقعة التي تتغير مع تغيير المجال المغناطيسي لفرق الطور عبر الوصلة.

جاء الاكتشاف الرئيسي عندما قام الباحثون بضبط جهد البوابة عند إعداد محدد ومسح المجال المغناطيسي مرة أخرى. فقد لاحظوا أنه عند فرق طور قريب من (π)، تتقاطع مستويات طاقة الإلكترونات وتنعكس ترتيباتها. وهذا الانعكاس هو العلامة المميزة لانتقال التكافؤ، مما يشير إلى أن الحالة الأرضية للنظام قد تحولت من زوجية إلى فردية. ووجد الباحثون أن حالة التكافؤ الفردي توجد فقط ضمن نطاق محدد من قيم الطور، مشكلة منطقة تشبه الحلقة في بياناتهم حيث يتصرف النظام بشكل مختلف عما كان عليه خارج ذلك النطاق. كانت هذه النتيجة مهمة لأنه في نظام الاقتران القوي حيث تكون النقطة الكمومية متصلة بقوة بالموصل الفائق، اقترح النظرية سابقاً أن النظام سيبقى في حالة زوجية ما لم يتم تطبيق مجال مغناطيسي لكسر التماثل. ومع ذلك، من خلال استخدام فرق الطور وحده، أظهر الفريق أنه يمكن الوصول إلى الحالة الفردية دون الحاجة إلى كسر التماثل بالطريقة التقليدية.

ولفهم ما كان يحدث بالضبط، قارن الباحثون بياناتهم التجريبية بنموذج نظري يعامل النقطة الكمومية كطاقة مستوى واحد تتفاعل مع الموصلات الف فائقة. وتنبأ النموذج بأن طاقة النظام تعتمد على فرق الطور، وأظهر أن الحالة الأرضية ستتحول بالفعل إلى تكافؤ فردي عندما يكون الطور قريباً من (π)، بشرط أن يكون الاقتران بين النقطة والأطراف قوياً بما يكفي. وقد تطابقت البيانات التجريبية مع هذا التنبؤ بشكل ملحوظ، مما أككد أن فرق الطور هو القوة الدافعة وراء تغيير التكافؤ. كما استكشف الباحثون كيف يؤثر مجال مغناطيسي خارجي مطبق موازٍ لسطح الجهاز على هذا الانتقال. ووجدوا أن إضافة هذا المجال المغناطيسي، الذي يُدخل "طاقة زيمان" تؤدي إلى انقسام مستويات طاقة الإلكترونات ذات المغزل (spin) المختلف، جعل منطقة التكافؤ الفردي أكبر. ومع زيادة المجال المغناطيسي، اتسع نطاق قيم الطور التي يظل فيها النظام في الحالة الفردية، مما سمح بتحكم أكثر قوة في التكافؤ.

تشير هذه النتائج إلى أن مصفوفات من وصلات جوزيفسون للنقاط الكمومية هذه يمكن أن تعمل كمنصة قوية لهندسة الظواهر الكمومية الغريبة. ومن خلال التحكم في فرق الطور عبر كل وصلة، يمكن للعلماء نظرياً إنشاء سلسلة من الأجهزة تحاكي سلوك الموصل الفائق الطوبولوجي، وهي حالة من المادة تحتضن "أنماط مايورانا الصفرية". وتحظى هذه الأنماط باهتمام كبير لأنها يمكن أن تُستخدم لبناء "كيوبتات" محمية طبيعياً من الأخطاء، وهو عائق رئيسي في تطوير الحاسبات الكمومية العملية. إن القدرة على تبديل تكافؤ الحالة الأرضية باستخدام فرق الطور الفائق فقط، دون الاعتماد حصرياً على البوابات الكهربائية أو الإعدادات المغناطيسية المعقدة، توفر درجة جديدة من الحرية لتصميم هذه الدوائر. ويُظهر هذا العمل أنه حتى في نظام الاقتران القوي، حيث تكون التفاعلات مكثفة ومعقدة، يمكن التحكم بدقة في التكافؤ الأساسي للنظام، مما يفتح الباب لاستكشاف آفاق جديدة في الفيزياء فائقة التوصيل.