Quantized heat flow in moiré chern bands of bilayer graphene

في العالم المجهري للمواد الصلبة، لا تنجرف الإلكترونات ببساطة مثل الماء في مجرى مائي؛ بل تتحرك عبر مشهد تحدده الذرات التي تمر بها. عندما يضع العلماء مادة في مجال مغناطيسي قوي، تُجبر هذه الإلكترونات على اتخاذ مسارات دائرية ضيقة. وإذا كانت المادة تمتلك أيضًا نمطًا متكررًا، مثل شبكة من الذرات، فعلى الإلكترونات أن تتنقل عبر صراع بين القوة المغناطيسية والشبكة الذرية. يخلق هذا التنافس خريطة كسورية (fractal) معقدة لمستويات الطاقة المسموح بها، وهي بنية شديدة التعقيد تشبه الفراشة ذات الأجنحة المتعددة. وداخل الفجوات الموجودة في هذه الخريطة، يمكن للإلكترونات أن تشكل حالات خاصة محمية طوبولوجيًا، مما يعني أن سلوكها محكوم بقواعد عالمية وليس بالتفاصيل المحلية. لعقود من الزمن، تمكن العلماء من قياس كيفية تدفق الكهرباء عبر هذه الحالات، مؤكدين أن التيار الكهربائي مكمم، أو مثبت في خطوات محددة وغير قابلة للتغيير. ومع ذلك، ظل سؤال جوهري دون إجابة: هل تنتقل الحرارة عبر هذه المسارات نفسها بنفس الطريقة الصارمة والعالمية؟ فبينما تم رسم خرائط الكهرباء، ظل تدفق الطاقة الحرارية عبر هذه الحالات الكمومية الغريبة لغزًا، مما ترك فجوة في فهمنا لكيفية تفاعل الحرارة والطوبولوجيا.

قام فريق من الباحثين الآن بسد هذه الفجوة من خلال قياس تدفق الحرارة عبر هذه مستويات الطاقة الكسورية في نوع معين من المواد. فقد صمموا جهازًا باستخدام طبقتين من الجرافين، وهو مادة مكونة من طبقة واحدة من ذرات الكربون، موضوعة بين طبقات من نيتريد البورون السداسي. ومن خلال محاذاة الجرافين بدقة مع نيتريد البورون، خلقوا نمطًا متكررًا كبيرًا يُعرف باسم "الشبكة الفائقة المواريه" (moiré superlattice)، بطول موجي يبلغ حوالي أربعة عشر نانومترًا. وعندما طبقوا مجالًا مغناطيسيًا على هذا الإعداد، نظمت الإلكترونات نفسها في طيف الطاقة الكسوري الموصوف أعلاه. ثم استخدم الباحثون تقنية عالية الحساسية تسمى "قياس درجة الحرارة بضجيج جونسون" (Johnson-noise thermometry) لقياس مقدار الحرارة التي تحملها الإلكترونات أثناء حركتها على طول حواف المادة. سمحت لهم هذه الطريقة برصد التغيرات الطفيفة في درجات الحرارة الناتجة عن حركة الإلكترونات دون إزعاج الحالات الكمومية الدقيقة.

كانت النتائج مذهلة وواضحة. فقد وجد الباحثون أن الموصلية الحرارية، أو قدرة المادة على نقل الحرارة، كانت مكممة بشكل مثالي. تمامًا كما يتم تثبيت التيار الكهربائي عند قيم محددة، كانت تدفقات الحرارة مثبتة في خطوات يحددها رقم يسمى "رقم تشيرن" (Chern number)، والذي يصف طوبولوجيا مسار الإلكترون. وقد ظل هذا التكميم صحيحًا بغض النظر عن كيفية تشكل الحالة؛ فسواء كانت الإلكترونات تتصرف كحالات "هول الكمومية" القياسية، أو كعوازل "تشيرن" الناتجة عن بنية المادة، أو كحالات مكسورة التماثل مدفوعة بالتفاعلات القوية بين الإلكترونات نفسها، فقد ظل تدفق الحرارة ثابتًا. وفي كل حالة، كانت كمية الحرارة المحمولة تتناسب طرديًا مع الرقم الطوبولوجي، وبشكل مستقل عن التفاصيل المجهرية للمادة أو الآلية المحددة التي أوجدت تلك الحالة.

وعلى نحو حاسم، عالج الفريق أيضًا تعقيدًا محتملاً أربك التجارب السابقة. ففي الدراسات السابقة على مواد مماثلة، غالبًا ما كان تدفق الحرارة المقاس أقل من المتوقع، وهي ظاهرة عُزيت إلى تأثير "حجز كولوم" للحرارة الذي منع قناة واحدة من تدفق الحرارة. وفي هذا العمل الجديد، صمم الباحثون جهازهم بطبقة عازلة رقيقة جدًا وسعة كهربائية كبيرة، مما أدى فعليًا إلى القضاء على تأثير الحجز هذا. ونتيجة لذلك، رصدوا الموصلية الحرارية المكممة الأصلية غير المحجوبة لأول مرة في أنظمة "المواريه" هذه. لقد قاسوا حالات ذات أرقام طوبولوجية مختلفة، بما في ذلك القيم اثنين وثلاثة وأربعة، وفي كل حالة، طابق تدفق الحرارة التوقعات النظرية بدقة. وحتى في الحالات التي تتفاعل فيها الإلكترونات بقوة لتشكيل أنماط جديدة ومعقدة، ظل انتقال الحرارة عالميًا وقابلًا للتنبؤ.

يؤسس هذا الاكتشاف الموصلية الحرارية كأداة قوية وموثوقة لاستقصاء طوبولوجيا المادة الكمومية. ومن خلال إظهار أن الحرارة تتدفق بطريقة مكممة وعالمية عبر أنواع مختلفة من الحالات الطوبولوجية، يؤكد هذا العمل أن العلاقة بين الخصائص الجوهرية للمادة وسلوك حوافها تنطبق على الحرارة تمامًا كما تنطبق على الكهرباء. وتشير النتائج إلى أنه يمكن للعلماء الآن استخدام قياسات الحرارة لاستكشاف أطوار أكثر غرابة للمادة، مثل عوازل "تشيرن" الجزئية، حيث قد تؤدي قواعد الطوبولوجيا إلى أشكال جديدة تمامًا من السلوك الكمومي. إن القدرة على قياس هذه البصمات الحرارية بهذه الدقة تفتح نافذة جديدة على الطبيعة الأساسية للمواد الكمومية الطوبولوجية، مما يثبت أن تدفق الحرارة مرتبط بعمق بالهندسة الخاصة بالعالم الكمومي تمامًا كما هو حال تدفق الكهرباء.