Emergent unconventional superconductivity in an aged α-Sn thin film

تخيل عالم علم المواد كأنه مطبخ ضخم وصاخب حيث يحاول العلماء باستمرار "طهي" حالات جديدة من المادة. أحد أكثر الأطباق إثارة في قائمة الطعام هو "الموصلية الفائقة"، وهي حالة سحرية تتدفق فيها الكهرباء دون أي مقاومة، مثل شبح ينزلق عبر جدار دون أن يصطدم بأي شيء. عادة ما يحدث هذا في مواد غريبة وباردة جداً. لكن العلماء يبحثون عن نسخة أكثر سحراً، تسمى "الموصلية الفائقة الطوبولوجية". فكر في هذا كأنها موصلية فائقة "محمية" بواسطة الهندسة الداخلية للمادة، مما يجعلها قوية للغاية ومثالية لبناء حواسيب كمومية مستقبلية لا تتعطل بسهولة. ولإيجاد ذلك، غالباً ما يبحث الباحثون عن "مواد طوبولوجية"، وهي تشبه الطرق السريعة الإلكترونية حيث يمكن للإلكترونات التحرك في اتجاه واحد فقط، مما يجعل من الصعب جداً إيقافها. نجم قصة اليوم هو مادة تسمى القصدير (Sn)، وتحديداً شكل منها يسمى $\alpha$-Sn. إنه يشبه "متحول الشكل"؛ ففي ظل ظروف معينة، يمكنه أن يعمل كأشباه موصلات ذات فجوة صفرية أو كـ "شبه معدن ديراك"، وهي حالة تتصرف فيها الإلكترونات كما لو لم يكن لها كتلة على الإطلاق. والسؤال الكبير كان: هل يمكننا جعل هذا القصدير المتحول شكلاً يتوصل فائقاً من تلقاء نفسه، دون الحاجة إلى لصقه بمواد أخرى؟

إليك المنعطف المفاجئ من دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة طوكيو ومؤسسات أخرى: لقد وجدوا أنه إذا تركت طبقة رقيقة جداً من هذا القصدير الخاص وحدها لفترة طويلة، فإنها تستيقظ وتبدأ في التوصيل الفائق من تلقاء نفسها. لقد قاموا بتنمية طبقة رقيقة بسمك 5 نانومتر من $\alpha$-Sn على بلورة من أنتيمونيد الإنديوم (InSb)، ثم انتظروا. لمدة ستة أشهر، تصرفت الطبقة كأشباه موصلات عادية، تقاوم تدفق الكهرباء كلما بردت. ولكن بعد عشرين شهراً، حدث شيء سحري. انخفضت المقاومة الكهربائية لهذه الطبقة فجأة إلى الصفر تحت درجة حرارة 4.2 كلفن (وهي درجة حرارة أبرد من الفضاء الخارجي). لم يكن هذا مجرد ضربة حظ؛ فقد أثبت الفريق أن القصدير لم يغير هيكله البلوري إلى شكل آخر أكثر شيوعاً للقصدير (يسمى $\beta$-Sn) والذي يتوصل فائقاً عادةً. باستخدام مجاهر قوية وفحوصات الأشعة السينية، أكدوا أن القصدير حافظ على هيكله الأصلي الشبيه بالماس طوال الوقت. وهذا يعني أن الموصلية الفائقة هي "جوهرية"، نابعة من عملية التقادم نفسها بدلاً من تغير هيكلي.

ما يجعل هذا الاكتشاف جامحاً حقاً هو كيفية توصيله الفائق. عادة، إذا دفعت مجالاً مغناطيسياً قوياً ضد موصل فائق، فإنه يكسر السحر ويوقف التوصيل. لكن فيلم القصدير "المُعتق" هذا متمرد. فعندما طبق الباحثون مجالاً مغناطيسياً موازياً للفيلم، صمد أمام مجال يصل إلى 11 تسلا. ولوضع ذلك في الاعتبار، فإن الحد النظري لمعظم الموصلات الفائقة (حد باولي) هو حوالي 7.8 تسلا. لقد كسر هذا الفيلم هذا الحد بفارق كبير، متصرفاً كـ "موصل فائق من نوع إيزينج من النوع الثاني"، وهي حالة نادرة لا تُرى عادة إلا في المواد ثنائية الأبعاد فائقة الرقة. والأغرب من ذلك، أن قوة المجال المغناطيسي الذي استطاع تحمله تغيرت اعتماداً على الزاوية، مما أظهر نمطاً "ثنائي الشكل" متميزاً. فقد كان أقوى عندما يشير المجال إلى اتجاه واحد محدد وأضعف في اتجاه آخر، مما يشير إلى أن الإلكترونات في الداخل ترقص على إيقاع "تباين خواص" محدد للغاية.

لفهم ما كان يحدث في الداخل، نظر الفريق إلى الإلكترونات باستخدام تقنية تخلق "تموجات كمومية" تسمى تذبذبات شوبنيكوف-دي هاس. في الفيلم "الشاب" الذي عمره ستة أشهر، رأوا نوعاً واحداً من الموجات الإلكترونية. ولكن في الفيلم "المُعتق" الذي عمره عشرون شهراً، ظهرت حزمة إلكترونية جديدة، ثقيلة وسريعة جداً من العدم. هذه الحزمة الجديدة هي بطلة القصة؛ فهي تمتلك حركية عالية وكتلة تتطابق تماماً مع حجم المنطقة الموصلة فائقة التوصيل. يشتبه الباحثون في أنه خلال تلك الأشهر العشرين، تسللت كميات ضئيلة من ذرات الإنديوم من الطبقة الموجودة تحتها ببطء إلى طبقة القصدير، لتعمل كنوع من "التتبيل بالتقطير البطيء" الذي عدّل البنية الإلكترونية بما يكفي لتحفيز حالة التوصيل الفائق هذه. لقد أجروا محاكاة حاسوبية لاختبار ذلك، وأشارت النتائج إلى أنه إذا تسللت ذرات الإنديوم إلى الشبكة البلورية للقصدير، فيمكنها بالفعل إنشاء هذه الحزمة الإلكترونية الثقيلة الجديدة وقلب المادة إلى حالة طوبولوجية.

إذاً، ماذا يعني كل هذا؟ تشير الورقة البحثية إلى أن $\alpha$-Sn هو ملعب واعد للموصلية الفائقة الطوبولوجية. وهي توضح أنك لا تحتاج دائماً إلى هياكل معقدة واصطناعية للحصول على هذه الحالات الغريبة؛ فأحياناً، تحتاج فقط إلى الصبر وترك الطبيعة تقوم بعملها البطيء والتدريجي. وبينما لا تزال الوصفة الدقيقة لكيفية إعادة ترتيب ذرات الإنديوم للإلكترونات قيد البحث (يشير المؤلفون إلى أنها قد تكون ناتجة عن هذا الانتشار البطيء)، فإن هذا الاكتشاف يفتح باباً. فهو يلمح إلى أننا قد نتمكن من إنشاء موصلات فائقة طوبولوجية قوية في مواد عنصرية بسيطة بمجرد تركها تتقادم، مما يمهد الطريق مستقبلاً لأجهزة كمومية أكثر استقراراً وأسهل في البناء.