الملخص:
حقق باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، والأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة شنغهاي جياو تونغ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وغيرها من المؤسسات تقدمًا بحثيًا جديدًا فائق التوصيل. استخدموا "تجويفًا مظلمًا" مصممًا خصيصًا للتيراهيرتز لتعزيز تقلبات الفراغ الكمي الضعيفة للغاية في الأصل، ولأول مرة لاحظوا تجريبيًا أن تقلب الفراغ هذا يمكن أن يعزز خصائص التوصيل الفائق. تظهر نتائج الأبحاث أنه في ظل ظروف معينة، يمكن زيادة درجة الحرارة الحرجة فائقة التوصيل لجهاز ثنائي سيلينيد النيوبيوم (NbSe₂) ذي ست طبقات سميكة بنسبة تصل إلى 5.4%، في حين يتم أيضًا تعزيز التيار الحرج والمجال المغناطيسي الحرج بشكل كبير.
تم إكمال هذا البحث من قبل فريق Zeng Changgan وCheng Guanghui من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين وفريق Jiang Qingdong من جامعة Shanghai Jiao Tong. كما شارك فيه باحثون مثل فرانك ويلتشيك، عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والحائز على جائزة نوبل في الفيزياء. وقد تم نشر الورقة ذات الصلة في مجلة "الطبيعة".
في مفهوم الفيزياء الكلاسيكية، عادة ما يُعتبر الفراغ بمثابة فضاء بلا مادة، لكن ميكانيكا الكم تعطي إجابة مختلفة تمامًا. وفقًا للديناميكا الكهربائية الكمومية ومبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، حتى في أدنى حالة طاقة، لا تزال هناك تقلبات كمومية في الفضاء لا يمكن القضاء عليها تمامًا. سيستمر إنتاج الجسيمات الافتراضية وإبادتها، بحيث يكون ما يسمى "اللا شيء" دائمًا في حالة نشاط مجهري.
إن تقلب الفراغ الكمي ليس مفهومًا نظريًا بحتًا. وقد تم التحقق من وجودها من خلال الظواهر التجريبية مثل انزياح لامب والانبعاث التلقائي وتأثير كازيمير. ومع ذلك، في ظل الظروف العادية، عادة ما يكون تأثير تقلبات الفراغ ضعيفًا جدًا، ومن الصعب التأثير بشكل مباشر على المادة المكثفة على المستوى العياني.
لقد سبق لفريق البحث استكشاف كيفية التحكم في تقلب الفراغ الكمي هذا. كان فريق تسنغ تشانغغان وتشينغ جوانغوي قد استخدموا سابقًا المجالات المغناطيسية لضبط قوة كازيمير بشكل عكسي، مما يسمح لها بالتبديل بين القوى الجذابة والتنافرية. يثير هذا العمل أيضًا السؤال التالي: إذا كان من الممكن التلاعب بتقلبات الفراغ بشكل فعال، فهل يمكن أيضًا استخدام هذا التأثير الكمي الضعيف للتحكم في الحالات الكمومية العيانية؟
وفي الوقت نفسه، درس فريق جيانغ تشينغ دونغ كيفية تأثير الفراغ الكمي على حالة المادة من منظور نظري، واقترح مفهوم "الإلكترونيات الفراغية"، وهو تنظيم سلوك الإلكترونات والفوتونات من خلال تصميم بيئة فراغية بشكل مصطنع. توفر تجربة التوصيل الفائق هذه أساسًا تجريبيًا جديدًا لهذه الفكرة النظرية.
يشير الباحثون إلى أن تقلبات الفراغ في الفضاء الحر العادي عادة ما تكون أضعف من أن يكون لها تأثير كبير على أنظمة المادة المكثفة العيانية. ولحل هذه المشكلة، قاموا بتصميم مرنان ذو حلقة تيراهيرتز، وهو ما يسمى "التجويف المظلم". يمكن لهذا التجويف الخاص تغيير البيئة الكهرومغناطيسية المحيطة وتعزيز تقلبات الفراغ بشكل كبير.
وضع الباحثون بعد ذلك المادة فائقة التوصيل NbSe₂ داخل تجويف تيراهيرتز المظلم، وقاموا ببناء جهاز يربط الموصل الفائق بالتجويف المظلم، وقارنوه بمواد مماثلة خارج التجويف. تظهر النتائج التجريبية أنه بعد دخول التجويف المظلم، تزداد درجة الحرارة الحرجة فائقة التوصيل لـ NbSe₂ بشكل ملحوظ. وفي جهاز NbSe₂ المكون من ستة طبقات، زادت درجة الحرارة الحرجة بنسبة تصل إلى 5.4%. وفي الوقت نفسه، زاد أيضًا التيار الحرج والمجال المغناطيسي الحرج بشكل ملحوظ بالقرب من التحول فائق التوصيل.
تعد درجة الحرارة الحرجة فائقة التوصيل مؤشرًا مهمًا للحكم على أداء المواد فائقة التوصيل. فقط عندما تنخفض درجة حرارة المادة عن هذه القيمة الحرجة، يمكنها الدخول إلى حالة التوصيل الفائق. تعني الزيادة في درجة الحرارة الحرجة أن المادة يمكن أن تظل فائقة التوصيل عند درجة حرارة أعلى، في حين أن الزيادة في التيار الحرج والمجال المغناطيسي الحرج تعني أن حالة التوصيل الفائق يمكنها تحمل تيارات ومجالات مغناطيسية أكبر.
للتأكد من أن هذا التعزيز لم يكن ناجمًا عن عوامل فيزيائية عادية أخرى، أجرى الباحثون عددًا كبيرًا من التجارب الخاضعة للرقابة. لقد قاموا بتغيير الشكل الهندسي والتردد المميز للتجويف المظلم بشكل منهجي، مع تغيير المعلمات مثل سمك المادة، والمواد العازلة، وهيكل الشريط المعدني. تستبعد النتائج التجريبية عوامل مثل الإجهاد وتدهور المواد وعدم تجانس المواد والدرع المعدني كأسباب رئيسية.
إن الدليل الأكثر أهمية يأتي من التغيرات في التردد المميز للتجويف المظلم. عندما غيّر الباحثون التردد المميز للتجويف المظلم، لم يتغير تأثير تعزيز الموصلية الفائقة مع التردد فحسب، بل أظهر ذروة واضحة. عندما يصل التردد المميز للتجويف إلى نطاق معين، يتم تعزيز أداء الموصلية الفائقة.
يعتقد الباحثون أن سلوك الذروة هذا، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالخصائص البصرية للتجويف، يعد أساسًا تجريبيًا مهمًا للاقتران بين حالة التوصيل الفائق ووضع التجويف المظلم. بمعنى آخر، لا تظهر نتائج البحث ببساطة أن "وضع مادة فائقة التوصيل في تجويف خاص سيجعلها أقوى"، ولكنها تظهر أن هناك تفاعلًا مع خصائص الرنين بين حالة التوصيل الفائق وأنماط كهرومغناطيسية محددة في التجويف.
من أجل تقديم مزيد من التوضيح لهذه الظاهرة التجريبية، أنشأ فريق جيانغ تشينغ دونغ وويلتشيك وآخرون نموذجًا نظريًا. استخدموا الإطار النظري لجينزبورج لانداو لاقتراح أن حالة التوصيل الفائق يمكن أن تتفاعل مع التجويف المظلم من خلال الفوتونات الافتراضية. هذا التفاعل يمكن أن يقلل من طاقة حالة الموصلية الفائقة، مما يجعل حالة الموصلية الفائقة أكثر استقرارًا ويعزز في النهاية خصائص الموصلية الفائقة.
عندما تتطابق الطاقة المميزة لوضع التجويف المظلم مع تقلبات الطاقة المنخفضة في نظام الموصلية الفائقة، يصل الاقتران بين الاثنين إلى حالة الرنين، لذلك تظهر ذروة تأثير تعزيز التوصيل الفائق في التجربة.
أكثر ما يميز هذه الدراسة هو أن الباحثين لم يعززوا الموصلية الفائقة من خلال القيادة الخارجية بالمعنى التقليدي، ولكنهم حققوا التحكم عن طريق تغيير بيئة الفراغ الكمومي التي توجد فيها المادة. بمعنى آخر، لم يعد الفراغ في حد ذاته مجرد خلفية سلبية تستضيف ظواهر فيزيائية، بل يمكن أن يصبح أداة فعالة للتأثير على الحالة الكمومية للمادة من خلال تجاويف مصممة بعناية.
وقال الباحثون إن هذه الطريقة توفر طريقة جديدة للتحكم في المواد الكمومية بطريقة عدم الاتصال. بدلاً من التطبيق المباشر للمجالات الكهربائية الخارجية أو المجالات المغناطيسية أو طرق القيادة الأخرى، يقوم الباحثون بشكل أساسي بتغيير بيئة الفراغ الكهرومغناطيسي حول المادة من خلال تصميم هيكل التجويف، وبالتالي التأثير على حالة التوصيل الفائق.
إذا كان من الممكن تحسين بنية التجويف المظلم ونظام المواد المستخدم بشكل أكبر في المستقبل، فقد يتم تعزيز الاقتران بين تقلبات الفراغ والمواد الكمومية بشكل أكبر، ومن المتوقع أن يمتد ليشمل المزيد من أنواع الحالات الكمومية والمواد الكمومية.
يعني هذا البحث أيضًا أن الطريقة التي يستخدم بها البشر "الفراغ" قد تتغير. في الماضي، كان يُنظر إلى الفراغ على أنه بيئة تحتاج إلى إزالة التدخل في التجارب، لكن تطور فيزياء الكم أثبت أن الفراغ ليس "لا شيء" حقًا. تُظهر هذه التجربة أيضًا أنه من خلال التصميم الاصطناعي لبيئة مفرغة، يمكن تحويل التقلبات الكمومية الضعيفة في الأصل إلى أداة لتنظيم المواد الكمومية العيانية، مما يوفر اتجاهًا استكشافيًا جديدًا لتكنولوجيا الموصلية الفائقة المستقبلية وأبحاث المواد الكمومية.
التعليقات