Coexisting Kondo and Weyl-like transport in kagome heavy-fermion metal, Yb$_y$Co$_3$G$e_{3-x}$Sn$_x$

في عالم المواد الصلبة، تتصرف الإلكترونات عادةً مثل حشد من الناس يتحركون في شارع مزدحم. أحياناً، تتحرك بحرية وسرعة، مثل نسيم خفيف. وفي أحيان أخرى، تتعثر أو تتباطأ بسبب التفاعلات مع جيرانها، فتصبح ثقيلة وخاملة. لطالما عرف العلماء كيفية إنشاء مواد تتصرف فيها الإلكترونات كجسيمات ثقيلة، وهي ظاهرة مدفوعة بقوى داخلية قوية تزيد من وزنها فعلياً. كما اكتشفوا مواد تتصرف فيها الإلكترونات كما لو لم يكن لها كتلة على الإطلاق، حيث تنطلق عبر البنية البلورية بسرعة وخفة الجسيمات في الفراغ. هذان السلوكان — كونها ثقيلة أو كونها عديمة الكتلة — ينتميان عادةً إلى عائلات مختلفة من المواد. وقد كان التحدي الذي يواجه الفيزيائيين هو العثين على مادة واحدة يتواجد فيها كلا السلوكين في آن واحد، مما يسمح لهم بدراسة كيفية تفاعل هذه القوى المتضادة داخل جسم صلب واحد.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن مثل هذه المادة. فمن خلال تنمية بلورات لمركب محدد يحتوي على الإيتيربيوم، والكوبالت، والجرمانيوم، والقصدير، اكتشفوا معدناً يمكن للإلكترونات فيه أن تكون ثقيلة وعديمة الكتلة في وقت واحد. تعمل هذه المادة، وهي نوع من معادن "كاغومي" (kagome)، كمختبر فريد حيث يتدفق نوعان متميزان من حركة الإلكترونات جنباً إلى جنب دون أن يندمجا في تيار واحد لا يمكن تمييزه. ووجد الباحثون أنه بينما تصبح بعض الإلكترونات ثقيلة بسبب التفاعلات المغناطيسية، تظل إلكترونات أخرى خفيفة وعديمة الكتلة، وتستجيب للمجالات المغناطيسية بطريقة تشير إلى أنها تتبع مجموعة مختلفة من القواعد الفيزيائية. يقدم هذا الاكتشاف طريقة جديدة للتحكم في كيفية حركة الكهرباء عبر المادة، مما قد يسمح للعلماء بالتبديل بين السلوكيات الثقيلة والخفيفة دون الحاجة إلى تغيير التركيب الكيميائي للمادة أو تطبيق ضبط خارجي.

تبدأ القصة بالبلورة نفسها. فقد قام الباحثون بتنمية إبر سداسية رقيقة من مادة تسمى Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$. داخل هذه الإبر، تشكل ذرات الكوبالت نمطاً هندسياً محدداً يُعرف باسم شبكة "كاغومي"، وتسمى على اسم نمط نسيج سلة يابانية تقليدية. هذا الترتيب مشهور بخلق حالات إلكترونية غير عادية. وتتخلل هذه الشبكة الكوبالتية ذرات الإيتيربيوم، وهو عنصر من الأتربة النادرة. وقد تم تعديل كمية الإيتيربيوم في البلورة بعناية، حيث احتوت أفضل العينات على ما بين 19 و48 في المائة من المواقع المتاحة. وقد نما الباحثون هذه البلورات باستخدام حمام قصدير مصهور، وهي طريقة سمحت لهم بالتحكم في الاضطراب والترتيب المحدد للذرات بدقة عالية.

وعندما قاموا بتبريد هذه البلورات إلى درجات حرارة منخفضة جداً، بدأت الإلكترونات تظهر علامات على أن تصبح ثقيلة. ومع انخفاض درجة الحرارة إلى ما دون حوالي 25 كلفن، بدأت المقاومة الكهربائية للمادة في الارتفاع، وهو مؤشر كلاسيكي على أن الإلكترونات تتفاعل بقوة مع العزوم المغناطيسية لذرات الإيتيربيوم. يُعرف هذا بـ "تأثير كوندو" (Kondo effect)، حيث تسحب الإلكترونات معها فعلياً سحابة ثقيلة من التأثير المغناطيسي أثناء حركتها. ومع انخفاض درجة الحرارة أكثر، وصلت المقاومة إلى ذروتها ثم بدأت في الانخفاض بشكل حاد. أشار هذا الانخفاض إلى أن الإلكترونات الثقيلة قد نظمت نفسها في حالة متماسكة، متحركة بانسجام عبر الشبكة البلورية بأكملها. وقاس الباحثون السعة الحرارية للمادة ووجدوا أن الإلكترونات كانت بالفعل ثقيلة للغاية، مع تعزيز في الكتلة وضع هذه المادة بقوة في فئة المعادن ذات الفرميونات الثقيلة.

ومع ذلك، لم تنتهِ القصة عند الإلكترونات الثقيلة. فعندما طبق الباحثون مجالاً مغناطيسياً قوياً على طول إبرة البلورة، موازياً لتدفق الكهرباء، حدث شيء غير متوقع. في معدن نموذجي من الفرميونات الثق heavy-fermion، ستتوقف المقاومة الكهربائية في النهاية عن التغير مع زيادة المجال المغناطيسي، لتصل إلى نقطة تشبع. لكن في هذه المادة، استمرت المقاومة في الانخفاض، لتصبح أكثر سلبية مع زيادة المجال المغناطيسي، وصولاً إلى 32 تسلا ضخمة. لم يتوافق هذا السلوك مع النموذج القياسي للإلكترونات الثقيلة. بدلاً من ذلك، طابق توقيعاً مرتبطاً بجسيمات عديمة الكتلة تسمى "فرميونات وايل" (Weyl fermions). في هذه الأنظمة، عندما يتم محاذاة مجال كهربائي ومجال مغناطيسي، يسمح تأثير كمي يُعرف باسم "الشذوذ الكيرالي" (chiral anomaly) للإلكترونات بالتدفق بمقاومة أقل، مما يخلق مقاومة مغناطيسية سالبة تنمو مع مربع قوة المجال المغناطيسي.

ولفهم كيف يمكن لكلا السلوكين الوجود في نفس البلورة، نظر الباحثون في البنية الإلكترونية باستخدام تقنية تسمى "مطيافية الانبعاث الضوئي بزاوية محددة" (ARPES). سمحت هذه الطريقة برسم خرائط لمستويات طاقة الإلكترونات داخل المادة. ووجدوا نوعين متميزين من النطاقات الإلكترونية: أحد مجموعات النطاقات كان مسطحاً، مما يعني أن الإلكترونات في هذه الحالات لا تتحرك بسهولة وكانت مسؤولة عن سلوك الفرميونات الثقيلة. أما المجموعة الأخرى من النطاقات فكانت تشتتية (dispersive)، مما يعني أن الإلكترونات يمكنها التحرك بحرية وسرعة، متصرفة مثل الجسيمات عديمة الكتلة المرتبطة بالمواد الطوبولوجية. وأكدت الحسابات النظرية أن النطاقات المسطحة جاءت من ذرات الإيتيربيوم، بينما جاءت النطاقات التشتتية من شبكة الكوبالت كاغومي.

النتيجة الرئيسية هي أن هاتين المجموعتين من الإلكترونات، رغم عيشهما في نفس البلورة، حافظتا إلى حد كبير على مساراتهما الخاصة. فالإلكترونات الثقيلة، المدفوعة بذرات الإيتيربيوم، اتبعت قواعد تأثير كوندو، حيث قامت بقياس سلوكها بما يتوافق مع أيون مغناطيسي واحد. وفي الوقت نفسه، استجابت الإلكترونات عديمة الكتلة، التي تتدفق عبر شبكة الكوبالت، للمجال المغناطيسي من خلال الشذوذ الكيرالي. واختبر الباحثون ما إذا كانت الإلكترونات الثقيلة هي مصدر السلوك عديم الكتلة، لكن البيانات استبعدت ذلك. فقد وصلت استجابة الإلكترونات الثقيلة إلى التشبع عند مجالات أقل، بينما استمرت إشارة الجسيمات عديمة الكتلة في النمو. كما استبعدوا تفسيرات أخرى شائعة، مثل الاضطراب في البلورة أو تأثيرات التشتت البسيطة، والتي لم تكن لتفسر الطريقة المحددة التي تغيرت بها المقاومة مع المجال المغنيطيسي.

يشير هذا الفصل في السلوك إلى صورة جديدة لكيفية التعايش بين الارتباطات القوية والطوبولوجيا. في بعض النظريات السابقة، كان يُعتقد أن تأثير الفرميونات الثقيلة يخلق الحالات عديمة الكتلة، أو يقمعها تماماً عند درجات الحرارة المنخفضة. هنا، يبدو أن التأثيرين مستقلان، وينبعان من أجزاء مختلفة من البنية الإلكترونية. يوفر الإيتيربيوم الإلكترونات الثقيلة المترابطة، بينما توفر شبكة الكوبالت الإلكترونات الطوبولوجية عديمة الكتلة. ولأن هذين النوعين من الإلكترونات متميزان، يمكن ملاحظتهما وقياسهما بشكل منفصل داخل نفس المادة الكتلية. وهذا يعني أن العلماء ليسوا بحاجة إلى ضبط التركيب الكيميائي للمادة أو تغيير مستوى فيرمي للوصول إلى سلوك واحد أو الآخر؛ فكلاهما موجود ونشط بشكل طبيعي.

تمتد تداعيات هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من مجرد فهم مادة واحدة. فهي تثبت أنه من الممكن هندسة مادة صلبة حيث تحتفظ الحالات الإلكترونية المختلفة بهوياتها الفريدة حتى في ظل وجود تفاعلات قوية. وهذا يفتح الباب أمام الوصول الانتقائي إلى الاستجابات المترابطة والطوبولوجية داخل جهاز واحد. ومن خلال فهم كيفية تعايش هذه الحالات المتميزة، قد يتمكن الباحثون في النهاية من تصميم مواد حيث يمكنهم التبديل بين أوضاع التوصيل الثقيلة والخفيفة، أو استخدام نوع من الإلكترونات للتحكم في النوع الآخر. ويؤكد هذا العمل أن شبكة "كاغومي" هي أرض خصبة لمثل هذه الفيزياء، حيث توفر منصة يمكن فيها تفكيك الرقصة المعقدة للإلكترونات إلى أجزائها المكونة، لتكشف عن عالم يمكن فيه للإلكترونات أن تكون ثقيلة وخفيفة في آن واحد.