حتى الآن ، كان تاريخ المواد فائقة التوصيل مكون من نوعين: الموجة s (s-wave ) و الموجة d (d-wave).
الآن ، اكتشف باحثو كورنيل - بقيادة براد رامشو ، الأستاذ المساعد ديك وديل ريس جونسون في كلية الآداب والعلوم - نوعًا ثالثًا محتملاً وهو الموجة-g (g-wave) .
تتحرك الإلكترونات في الموصلات الفائقة معًا فيما يعرف بأزواج كوبر. يمنح هذا "الاقتران" الموصلات الفائقة أشهر خصائصها - لا توجد مقاومة كهربائية - لأنه من أجل توليد المقاومة ، يجب تفكيك أزواج Cooper ، وهذا يتطلب طاقة.
في الموصلات الفائقة للموجة s - المواد التقليدية بشكل عام ، مثل الرصاص والقصدير والزئبق - تتكون أزواج Cooper من إلكترون واحد يشير لأعلى والآخر يشير لأسفل ، وكلاهما يتحرك وجهاً لوجه تجاه بعضهما البعض ، بدون زخم زاوي صافي. في العقود الأخيرة ، عرضت فئة جديدة من المواد الغريبة ما يسمى بالموصلية الفائقة للموجة d ، حيث تمتلك أزواج كوبر كميتين من الزخم الزاوي.
وضع الفيزيائيون نظرية لوجود نوع ثالث من الموصلات الفائقة بين هاتين الحالتين المسماة "الحالة المفردة": الموصل الفائق للموجة p ، مع كمية واحدة من الزخم الزاوي ، وتقترن الإلكترونات بالدوران المتوازي بدلاً من الدوران غير المتوازي. سيكون هذا الموصل الفائق ذو اللف الثلاثي إنجازًا كبيرًا للحوسبة الكمومية لأنه يمكن استخدامه لإنشاء فرميونات ماجورانا (Majorana) ، وهي جسيمات فريدة من نوعها وهي نفسها الجسيمات المضادة .
لأكثر من 20 عامًا ، كان السترونتيوم روثينات (Sr2RuO4) أحد المرشحين الرئيسيين للموصل الفائق للموجة p ، على الرغم من أن الأبحاث الحديثة بدأت في إحداث ثغرات في الفكرة.
شرع رامشاو وفريقه في تحديد ما إذا كان السترونتيوم روثينات هو موصّل فائق للموجة p مرغوب فيه بشكل نهائي. باستخدام التحليل الطيفي عالي الدقة بالموجات فوق الصوتية بالرنين ، اكتشفوا أن المادة من المحتمل أن تكون نوعًا جديدًا تمامًا من الموصلات الفائقة تمامًا: موجة-g.
قال رامشاو: "تُظهر هذه التجربة حقًا إمكانية هذا النوع الجديد من الموصلات الفائقة التي لم نفكر فيها من قبل". "إنه يفتح حقًا مساحة من الاحتمالات لما يمكن أن يكون عليه الموصل الفائق وكيف يمكن أن يظهر نفسه. إذا كنا سنحصل على مقبض للتحكم في الموصلات الفائقة واستخدامها في التكنولوجيا مع نوع التحكم الدقيق الذي لدينا مع أشباه الموصلات ، نريد حقًا أن نعرف كيف تعمل وما هي أنواعها وخصائصها ".
كما هو الحال مع المشاريع السابقة ، استخدم Ramshaw و Ghosh التحليل الطيفي بالموجات فوق الصوتية الرنانة لدراسة خصائص التناظر للموصلية الفائقة في بلورة السترونتيوم الروثينات التي تم تطويرها وقطعها بدقة بواسطة متعاونين في معهد ماكس بلانك للفيزياء الكيميائية للمواد الصلبة في ألمانيا.
ومع ذلك ، على عكس المحاولات السابقة ، واجه Ramshaw و Ghosh مشكلة كبيرة عند محاولة إجراء التجربة.
قال غوش: "إن تبريد الموجات فوق الصوتية الرنانة إلى 1 كلفن (ناقص 457.87 درجة فهرنهايت) أمر صعب ، وكان علينا بناء جهاز جديد تمامًا لتحقيق ذلك".
مع الإعداد الجديد ، قاس فريق كورنيل استجابة ثوابت البلورة المرنة - أساسًا سرعة الصوت في المادة - لمجموعة متنوعة من الموجات الصوتية حيث تبرد المادة من خلال انتقالها فائق التوصيل عند 1.4 كلفن (ناقص 457 درجة فهرنهايت) ).
وقال رامشو: "هذه إلى حد بعيد أعلى بيانات التحليل الطيفي بالموجات فوق الصوتية عالية الدقة التي تم التقاطها في درجات الحرارة المنخفضة هذه".
بناءً على البيانات ، قرروا أن السترونتيوم روثينات هو ما يسمى بالموصل الفائق المكون من عنصرين ، مما يعني أن الطريقة التي ترتبط بها الإلكترونات معًا معقدة للغاية ، ولا يمكن وصفها برقم واحد يحتاج إلى اتجاه أيضًا.
استخدمت الدراسات السابقة التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) لتضييق احتمالات نوع مادة السترونتيوم الروثينية الموجية التي يمكن أن تكون ، مما أدى بشكل فعال إلى القضاء على الموجة p كخيار.
من خلال تحديد أن المادة مكونة من عنصرين ، لم يؤكد فريق Ramshaw هذه النتائج فحسب ، بل أظهر أيضًا أن السترونشيوم روثينات لم يكن موصلًا فائقًا للموجة s أو d.
وقال رامشو: "الموجات فوق الصوتية الرنانة تتيح لك حقًا الدخول ، وحتى إذا لم تتمكن من تحديد كل التفاصيل الدقيقة ، فيمكنك الإدلاء ببيانات واسعة حول أي منها مستبعد". "إذن فالأشياء الوحيدة التي تتوافق معها التجارب هي هذه الأشياء الغريبة جدًا التي لم يرها أحد من قبل. أحدها هو الموجة-g ، وهو ما يعني ان الزخم الزاوي 4. لم يعتقد أحد أبدًا أنه سيكون هناك موصل فائق لموجة g ".
الآن يمكن للباحثين استخدام هذه التقنية لفحص المواد الأخرى لمعرفة ما إذا كانت مرشحة محتملة للموجة p.
ومع ذلك ، لم ينته العمل على السترونتيوم روثينات.
قال رامشو: "تمت دراسة هذه المادة جيدًا في العديد من السياقات المختلفة ، وليس فقط من أجل الموصلية الفائقة". "نحن نفهم نوع المعدن ، ولماذا هو معدن ، وكيف يتصرف عند تغيير درجة الحرارة ، وكيف يتصرف عند تغيير المجال المغناطيسي. لذلك يجب أن تكون قادرًا على بناء نظرية حول سبب تحوله إلى موصل فائق بشكل أفضل هنا من أي مكان آخر ".
المصدر