Heterogeneous superconductivity emerging from a charge-stripe state in kagome lattices

في عالم علم المواد، تتبع الإلكترونات عادةً سيناريو يمكن التنبؤ به. فهي تتدفق عبر المعادن مثل الماء في النهر، أو تزدوج وتتحرك في خطى متزامنة مثالية لتخلق الموصلية الفائقة، وهي حالة تتدفق فيها الكهرباء دون أي مقاومة. لعقود من الزمن، اعتقد الفيزيائيون أن الموصلية الفائقة وحالة إلكترونية أخرى تسمى موجة كثافة الشحنة هما عدوان طبيعيان. موجة كثافة الشحنة هي نمط حيث ترتب الإلكترونات نفسها في تموجات ثابتة، وتتجمد في بنية صلبة. كانت القاعدة القديمة بسيطة: إذا كانت الإلكترونات مشغولة بتشكيل هذه التموجات، فلا يمكنها الازدواج لتكوين الموصلية الفائعة، والعكس صحيح. فهما يتنافسان على نفس الإلكترونات، وعادة ما يفوز أحدهما ويطرد الآخر. ومع ذلك، أظهرت الاكتشافات الحديثة أن الطبيعة أكثر تعقيداً من هذه المنافسة البسيطة. ففي بعض المواد، يمكن لهاتين الحالتين أن تتعايشا، ويمكن لتفاعلهما أن يخلق سلوكيات جديدة تماماً وغير متوقعة تتحدى فهمنا لكيفية عمل المادة على المستوى الكمي.

لقد كشف الباحثون الآن عن مثال صارخ لهذا التعقيد في عائلة من البلورات تُعرف باسم موصلات "كاغومي" الفائقة. سُميت هذه المواد بهذا الاسم نسبة إلى بنيتها الداخلية التي تشبه نمط السلة المنسوجة المكون من مثلثات. ومن خلال إضافة كمية صغيرة من ذرات القصدير لاستبدال بعض ذرات الأنتيمون في البلورة، لاحظ فريق من العلماء بقيادة باحثين من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين تحولاً دراماتيكياً في كيفية سلوك المادة. ووجدوا أنه عندما تدخل البلورة في طور محدد حيث تشكل الإلكترونات أنماطاً تشبه الخطوط القصيرة، فإن الموصلية الفائقة لا تختفي ببساطة أو تضعف بشكل موحد، بل تصبح عبارة عن رقعة موزعة (patchwork). في هذه الحالة، تظهر الموصلية الفائقة في جزر صغيرة ومعزولة تنمو وتتصل في النهاية لتشكل مساراً عبر المادة، بينما يظل جزء كبير من الإلكترونات غير مزدوج وطبيعياً، حتى في أعماق الحالة فائقة التوصيل.

بدأت رحلة هذا الاكتشاف بزراعة بلورات عالية الجودة للمادة، وهي مركب يسمى CsV3Sb5، واستبدال جزء صغير من ذراتها بالقصدير بشكل منهجي. قام العلماء برسم خريطة لكيفية تغير المادة مع زيادة كمية القصدير. ووجدوا أنه عند نقطة محددة جداً، عندما تم استبدال حوالي سبعة بالمائة من ذرات الأنتيمون، تغيرت طبيعة الأنماط الإلكترونية بشكل مفاجئ. قبل هذه النقطة، كانت الإلكترونات تشكل نمطاً متكرراً كبيراً عبر البلورة بأكملها. وبعد هذه النقطة مباشرة، انهار النمط إلى خطوط قصيرة وموضعية. وبالتزامن مع هذا التغيير، انخفضت درجة الحرارة التي تصبح عندها المادة موصلة فائقة بشكل حاد. لكن الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة لم يكن مجرد انخفاض درجة الحرارة، بل الطريقة الغريبة التي تصرفت بها الموصلية الفائقة في طور الخطوط هذا.

عندما قاس العلماء المقاومة الكهربائية والخصائص المغناطيسية لهذه العينات ذات طور الخطوط، رأوا عدم تطابق واضح. بدأت المادة في إظهار علامات الموصلية الفائقة، مثل صد المجالات المغناطيسية، عند درجة حرارة أعلى بكثير مما بدأت فيه بالفعل توصيل الكهرباء بدون مقاومة. اقترح هذا الفجوة أن الموصلية الفائقة لم تكن تحدث في كل مكان في وقت واحد. بدلاً من ذلك، كانت جيوب صغيرة من المواد فائقة التوصيل تتشكل في وقت مبكر، وتطفو في بحر من المعدن الطبيعي غير فائق التوصيل. ومع انخفاض درجة الحرارة أكثر، نمت هذه الجيوب واتصلت في النهاية، مثل الجزر التي تندمج لتشكل قارة، مما سمح للكهرباء بالتدفق بحرية عبر العينة بأكملية. هذه العملية، المعروفة باسم "التخلل" (percolation)، فسرت سبب كون الانتقال واسع النطاء ولماذا سلوك المادة يختلف اعتماداً على كيفية دفع التيار من خلالها.

لرؤية هذه الرقعة الموزعة مباشرة، استخدم الباحثون مجهراً قوياً يسمى مجهر المسح النفقي الماسح، والذي يمكنه تصوير الذرات الفردية وقياس طاقة الإلكترونات في نقاط محددة. ووجدوا أن حجم الفجوة فائقة التوصيل — وهو نطاق الطاقة حيث تتقيد الإلكترونات في أزواج — يختلف بشكل كبير من مكان إلى آخر عبر سطح البلورة. في بعض المناطق، كانت الفجوة كبيرة ومحددة بوضوح؛ وفي مناطق أخرى، كانت أصغر وأكثر تشتتاً. والأهم من ذلك، أن هذا التباين لم يتطابق مع توزيع ذرات القصدير. فقد كانت ذرات القصدير منتشرة بشكل متساوٍ، لذا فإن عدم الانتظام في الموصلية الفائقة لم يكن ناتجاً عن الشوائب نفسها. بدلاً من ذلك، كان التباين مرتبطاً بالخطوط الإلكترونية قصيرة المدى. كشف المجهر أن الإلكترونات يتم تشتيتها بواسطة هذه الخطوط بطريقة تكسر الأزواج فائقة التوصيل، ولكن في مناطق معينة فقط، مما يخلق مشهداً من الموصلية الفائقة القوية والضعيفة.

ربما كان الجانب الأكثر إثارة للحيرة في هذه الحالة هو وجود عدد كبير من الإلكترونات غير المزدوجة، أو "السائل الطبيعي"، حتى عندما تكون المادة فائقة التوصيل. في الموصل الفائق التقليدي، تزدوج جميع الإلكترونات تقريباً تحت درجة حرارة معينة. أما هنا، فقد أظهرت القياسات أن جزءاً كبيراً من الإلكترونات، حوالي الثلث إلى الثلثين اعتماداً على العينة، ظل غير مزدوج ونشطاً حتى عند أدنى درجات الحرارة. لم تكن هذه الإلكترونات غير المزدوجة مجرد بقايا عشوائية؛ بل كانت مركزة في مسارات محددة داخل البنية الإلكترونية للمادة، وهي مرتبطة مباشرة بأنماط الخطوط. وخلص الباحثون إلى أن الخطوط قصيرة المدى كانت تعمل كمصدر لتشتت قوي، مما يؤدي إلى كسر أزواج الإلكترونات بطريقة محظورة في الموصلات الفائقة التقليدية، ولكنها سمة لنوع أكثر غرابة من الازدواج حيث تتغير إشارة الموجة الإلكترونية.

تستبعد الدراسة عدة تفسيرات أبسط لهذا السلوك. فلم يكن عدم انتظام الموصلية الفائقة ناتجاً عن تكتل ذرات القصدير أو الإجهاد في الشبكة البلورية، حيث كان توزيع القصدير منتظماً واختفى التأثير عند اختفاء نمط الخطوط. كما لم تكن حالة انفصال المادة ببساطة إلى طورين متميزين من الموصل الفائق والمعدن. بدلاً من ذلك، تشير الأدلة إلى حالة واحدة موحدة حيث تكون الموصلية الفائقة هشة بطبيعتها ومتغيرة مكانياً بسبب تفاعلها مع خطوط الشحنة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الإلكترونات في مواد "كاغومي" هذه تشكل أزواجاً بطريقة معقدة وغير تقليدية، تتضمن على الأرجح تغيراً في إشارة دالتها الموجية الكمية، مما يجعلها حساسة للغاية لوجود الخطوط.

تقدم هذه الدراسة لمحة نادرة عن حالة من المادة لا تتنافس فيها الموصلية الفائقة ونظام الشحنة فحسب، بل تتعاونان أيضاً لخلق واقع غير متجانس وموزع على شكل رقع. إنها تتحدى الرؤية السائدة منذ فترة طويلة بأن الموصلية الفائقة يجب أن تكون حالة موحدة وشاملة، وتظهر أنه في الظروف المناسبة، يمكن أن تظهر كمجموعة من الجزر المتصلة. ومن خلال تحديد هذا السلوك الفريد في مادة بسيطة ومفهومة نسبياً، فتح الباحثون نافذة جديدة على فيزياء الموصلية الفائضاء غير التقليدية. وتشير نتائجهم إلى أن التفاعل بين الأنظمة الإلكترونية المختلفة يمكن أن يؤدي إلى ظواهر غنية وغير متوقعة، مما يوفر منصة جديدة لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحكم كيفية ازدواج الإلكترونات وتدفقها دون مقاومة.