ظاهرة كمية غامضة تُرصد في مادة فائقة التوصيل!

اكتشف باحثون في جامعة رايس دليلًا مباشرًا على وجود نطاقات إلكترونية مسطحة فعالة في مادة فائقة التوصيل، ما يُعد إنجازًا علميًا مهمًا قد يفتح آفاقًا جديدة في تصميم المواد الكمية، متضمنةًُ الموصلات الفائقة والعوازل الطوبولوجية والإلكترونيات المغزلية التي قد تُستخدم في تشغيل تقنيات الحوسبة والإلكترونيات المستقبلية.

تركز الدراسة على معدن كاغومي المعتمد على الكروم، الذي يُظهر خصائص التوصيل الفائق عند تعريضه للضغط.

تشير التوقعات إلى أن المعادن ذات بنية كاغومي -المتمثلة في شبكات ثنائية الأبعاد من مثلثات تشترك في الزوايا- تحتوي على مدارات جزيئية مدمجة، أو ما يُعرف بأنماط الموجات الثابتة للإلكترونات.

قد تُسهل هذه المدارات ظهور أنماط غير تقليدية من التوصيل الفائق وترتيبات مغناطيسية جديدة تُفعل بفعل تأثيرات الارتباط الإلكتروني.

في معظم المواد، تبقى هذه النطاقات المسطحة بعيدةً عن مستويات الطاقة الفعالة، فلا يكون لها تأثير يُذكر.

أما في (CsCr₃Sb₅)، فقد تبين أنها نشطة ومؤثرة مباشرةً في السلوك الإلكتروني للمادة وخصائصها الفيزيائية.

قال بينغتشنغ داي، أستاذ الفيزياء والفلك الحاصل على كرسي سام وهيلين ووردن: «تؤكد نتائجنا توقعًا نظريًا مفاجئًا، وتمهد الطريق نحو هندسة التوصيل الفائق غير التقليدي، بالتحكم الكيميائي والبنيوي».

تُقدم هذه النتائج دليلًا تجريبيًا مباشرًا على أفكار كانت موجودة سابقًا فقط في النماذج النظرية، وتُظهر كيف يمكن استغلال هندسة شبكات كاغومي المعقدة بوصفها أداة تصميم للتحكم في سلوك الإلكترونات داخل المواد الصلبة.

«أظهرنا وجود صلة مباشرة بين هندسة الشبكة البلورية والحالات الكمية الناشئة، بتحديد النطاقات المسطحة الفعالة».

استخدم فريق البحث تقنيتين متقدمتين من تقنيات الإشعاع السنكروتروني إلى جانب النمذجة النظرية للتحقق من وجود أنماط الإلكترونات الموجية الثابتة الفعالة.

إذ استخدموا مطيافية الانبعاث الضوئي المحللة زاويًا (ARPES) لرسم خريطة للإلكترونات المنبعثة تحت ضوء السنكروترون، وكشفوا بواسطتها بصمات مميزة للمدارات الجزيئية المدمجة.

واستخدموا تشتت الأشعة السينية غير المرن الرنان (RIXS) لقياس الاستثارات المغناطيسية المرتبطة بهذه الأنماط الإلكترونية.

«توفر نتائج التقنيتين صورة متسقة تُظهر أن النطاقات المسطحة ليست متفرجة خاملة، بل تشارك بنشاط في تشكيل المشهد المغناطيسي والإلكتروني. من المذهل أن نرى ذلك متحققًا تجريبيًا بعد أن كان موجودًا فقط في النماذج النظرية المجردة».

قدم الفريق دعمًا نظريًا بدراسة تأثير الارتباطات القوية باستخدام نموذج شبكي إلكتروني مصمم خصيصى، أعاد إنتاج النتائج التجريبية وساعد في تفسيرها.

أشار الباحثون إلى أن الحصول على بيانات دقيقة بهذا المستوى تطلب بلورات كبيرة ونقية استثنائية من مادة (CsCr₃Sb₅)، حُضرت باستخدام طريقة محسنة أنتجت عينات أكبر بمئة ضعف من المحاولات السابقة.

«تؤكد الدراسة الإمكانات الكبيرة للبحث متعدد التخصصات عبر مختلف مجالات العلم. أصبح هذا العمل ممكنًا بفضل التعاون الذي جمع بين تصميم المواد وتحضيرها، وقياس خصائصها الإلكترونية والمغناطيسية، والدعم النظري المتكامل».