تسمح نبضات التيار فائقة السرعة للعلماء بدفع الموصلات الفائقة إلى ما هو أبعد من حدودها التجريبية المعتادة قبل أن تتداخل الدوامات والحرارة.
كشفت الطريقة عن اختلافات مذهلة في كيفية تحلل مادتين فائقتي التوصيل، ويمكن أن تكشف عن السلوك الكمي الذي تغفل عنه القياسات التقليدية.
تعد الموصلية الفائقة واحدة من أبرز السلوكيات الموجودة في المواد الكمومية. عندما يتم تبريد بعض المواد إلى ما دون درجة حرارة انتقالية معينة، تختفي مقاومتها الكهربائية، مما يسمح للتيار بالمرور عبرها دون فقدان الطاقة كحرارة.
ويحدث هذا لأن الإلكترونات تتزاوج لتشكل ما يعرف بأزواج كوبر. تتحرك هذه الإلكترونات المقترنة معًا عبر المادة كجزء من حالة كمية منسقة. هذه القدرة تجعل الموصلات الفائقة ذات قيمة بالنسبة للتقنيات بما في ذلك المغناطيسات القوية والكاشفات شديدة الحساسية والدوائر الكمومية.
لكن الموصلية الفائقة لا يمكنها أن تتحمل تيارًا كهربائيًا غير محدود. إذا أصبح التيار قويًا جدًا، تظهر المقاومة في النهاية، وتنهار حالة التوصيل الفائق. يُعرف المستوى الحالي الذي يبدأ عنده هذا بالتيار الحرج.
لماذا تفشل الموصلات الفائقة عادة في وقت مبكر
في الموصلات الفائقة من النوع الثاني، لا يعكس التيار الحرج المقاس تجريبيًا الحد المجهري الحقيقي للموصلية الفائقة نفسها.
وبدلا من ذلك، عادة ما يتم تحديد الحد بواسطة الدوامات، وهي مناطق صغيرة يخترق فيها التدفق المغناطيسي المادة. ومع ارتفاع التيار الكهربائي، يمكن لهذه الدوامات أن تبدأ في التحرك. وتولد حركتها مقاومة وحرارة، مما قد يؤدي إلى تدمير حالة التوصيل الفائق قبل أن تصل المادة إلى حدها الجوهري الأعمق.
ويعرف هذا الحد الأعلى باسم تيار الإضمحلال.
يوضح إيرين وانغ، المؤلف الرئيسي للدراسة: “إحدى طرق تصور ذلك هي أن “التواءات” التيار في مرحلة الحالة الكمومية المتماسكة للموصل الفائق، تشبه إلى حد ما لف الزنبرك”.
إذا تم تحريف تلك الحالة الكمومية بقوة شديدة، فإنها تصبح غير مستقرة. عند عتبة الضعف، تبدأ أزواج كوبر المسؤولة عن الموصلية الفائقة في الانفصال.
تواجه قياسات نقل التيار المباشر التقليدية (DC) صعوبة في الوصول إلى هذه النقطة لأن حركة الدوامة والتدفئة تتداخلان عادةً أولاً.
تجاوز الدوامات
وقد عالج الباحثون المشكلة عن طريق جعل التيار الكهربائي قصيرًا للغاية.
يقول إيرين وانج: “كانت استراتيجيتنا هي تجاوز ديناميكيات الدوامة”.
تنتقل الدوامات عادة بسرعة عشرات الكيلومترات في الثانية. يبدو ذلك سريعًا، لكن خلال بيكو ثانية واحدة تتحرك فقط عشرات النانومترات. من خلال توصيل التيار خلال فترة زمنية قصيرة للغاية، تمكن الباحثون من الوصول إلى كثافات تيار عالية جدًا قبل أن يكون لدى الدوامات الوقت الكافي للتحرك بشكل ملحوظ أو تسخين العينة.
يقلل هذا النهج بشكل حاد من فقدان الطاقة الناجم عن حركة الدوامة ويجعل من الممكن دفع حالة التوصيل الفائق إلى مسافة أقرب بكثير إلى حد التيار الجوهري.
نبضات كهربائية تدوم فقط بيكو ثانية
لإنشاء هذه الدفقات القصيرة جدًا من التيار، استخدم الفريق منصة نقل كهربائي فائقة السرعة تم تطويرها في MPSD.
يقول جويدو ماير، المؤلف المشارك للدراسة: “لتطبيق التيار على الموصلات الفائقة لبضعة بيكو ثانية فقط، استخدمنا منصة النقل الكهربائي فائقة السرعة التي قمنا بتطويرها في معهدنا”.
يستخدم النظام مفاتيح موصلة للضوء يتم تشغيلها بواسطة نبضات ليزر خضراء تبلغ 300 فمتوثانية بطول موجة يبلغ 515 نانومتر. بمجرد تفعيلها، تنتج المفاتيح نبضات كهربائية تدوم لبضعة بيكو ثانية فقط.
تنتقل هذه النبضات عبر دليل موجي متحد المستوى ثم تمر عبر عينات فائقة التوصيل يبلغ حجمها ميكرومترًا فقط.
يتصرف اثنان من الموصلات الفائقة بشكل مختلف تمامًا
اختبر الباحثون مادتين، NbN و YBCO ، لأن حالاتهما فائقة التوصيل لها هياكل مختلفة بشكل أساسي. لدى NbN فجوة طاقة فائقة التوصيل موحدة نسبيًا (موجة s)، بينما لدى YBCO فجوة تعتمد بشدة على الاتجاه (موجة d). سمحت المقارنة بين الاثنين للعلماء بالتحقيق في كيفية تأثير هذه الاختلافات المجهرية على ما يحدث عندما يتم دفع الموصلات الفائقة بتيارات قوية للغاية وفائقة السرعة. ظل NbN فائق التوصيل حتى وصل التيار إلى عتبة واضحة أعلى بكثير من التيار الحرج التقليدي للتيار المستمر. وبمجرد تجاوز هذه النقطة، تغيرت استجابة المادة بشكل حاد، مما يوفر دليلاً على أن أزواج كوبر بدأت في التفكك. تصرفت YBCO بشكل مختلف. وبدلا من أن يظل مستقرا ثم ينهار فجأة، ضعفت حالته فائقة التوصيل تدريجيا مع زيادة التيار. يعزو الباحثون هذا الاختلاف إلى الهياكل فائقة التوصيل الأساسية للمواد. في NbN ، تكون فجوة الطاقة موحدة تقريبًا في كل الاتجاهات.
في YBCO ، تختلف الفجوة بقوة مع الاتجاه وتنخفض إلى الصفر على طول اتجاهات معينة. وبسبب هذا الهيكل، يمكن أن تضعف الموصلية الفائقة في YBCO تدريجيًا بدلاً من الفشل عند عتبة واحدة محددة بشكل حاد.
نافذة جديدة على الموصلية الفائقة
يقول أندريا كافاليري، الذي يقود مجموعة البحث: “تشير نتائجنا إلى أن نقل البيكو ثانية يمكن أن يوفر الوصول إلى الخصائص المجهرية للموصلات الفائقة، بما في ذلك تماثل الفجوة، والتي لا تتوفر مباشرة من النقل التقليدي بالتيار المستمر”.
وينبه الباحثون إلى ضرورة اختبار المزيد من المواد فائقة التوصيل قبل أن يتمكنوا من تحديد مدى اتساع نطاق تطبيق الاتصال.
ومع ذلك، تظهر النتائج أن النبضات الكهربائية البالغة القصر يمكن أن تكشف عن أشكال من سلوك الموصلية الفائقة التي لا تستطيع التجارب التقليدية الوصول إليها عادة. من خلال التصرف بشكل أسرع من حركة الدوامة والتسخين، تمنح هذه التقنية العلماء طريقة لدراسة الموصلات الفائقة بشكل أقرب إلى المقاييس الزمنية المجهرية الطبيعية.
يمكن أن يوفر ذلك أدوات جديدة للتحقيق والتحكم في حالات الموصلية الفائقة مع فتح الوصول إلى نظام الموصلية الفائقة الحالية للغاية. وفي المستقبل، يمكن أن يكون لهذه القدرات أيضًا آثار على الإلكترونيات الضوئية والأجهزة المغناطيسية المحتملة.
المرجع: “اختبار تيارات إزالة البيكو ثانية في الموصلات الفائقة من النوع الثاني” بقلم E. Wang ، M. Chavez-Cervantes ، J. Satapathy ، T. Matsuyama ، G. Meier ، X. Zhang ، L. You ، F. Marijanovic ، JB Curtis ، E. Demler and A. Cavalleri ؛ فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-026-03469-z
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
