اقترح اثنان من علماء الفيزياء من معهد ريكن باليابان طريقة نظرية جديدة لاستكشاف الجسيمات الغريبة الموجودة على سطح الموصلات الفائقة النادرة. عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية، تُظهر الإلكترونات الموجودة في بعض المواد سلوكًا غير عادي. لم يعد إلكترونين أو أكثر يعملان بشكل مستقل، بل يقترنان ويتحركان معًا كوحدة واحدة. يجلب هذا السلوك بعض الخصائص غير العادية. ومن أشهر الأمثلة على ذلك الموصلية الفائقة، حيث تشكل الإلكترونات "أزواج كوبر" وتنتقل بحرية عبر المادة دون أي مقاومة.
الشكل 1: رسم تخطيطي مفاهيمي لفرميونات ماجورانا، والتي هي في حد ذاتها جسيمات مضادة. يتوقع اثنان من فيزيائيي معهد RIKEN أن الاستجابة متعددة الأقطاب لفرميونات ماجورانا للموجات الكهرومغناطيسية توفر معلومات حول أزواج كوبر في الموصلات الفائقة الطوبولوجية. مصدر الصورة: © 2025 مختبر RIKEN لنظرية المادة المكثفة
اقترح يوكي ياماغوتشي من مختبر نظرية المادة المكثفة في معهد ريكن وشينغو كوباياشي من مركز علوم المواد الناشئة في معهد ريكن طريقة لدراسة أزواج كوبر في شكل مثير للاهتمام بشكل خاص من الموصلية الفائقة: الموصلات الفائقة الطوبولوجية، وهي فئة من المواد التي تم اكتشافها مؤخرًا فقط.
في الموصلات الفائقة التقليدية، تنشأ أزواج كوبر من التفاعلات بين الإلكترونات والاهتزازات الذرية، وتشكل هياكل متناظرة بسيطة نسبيًا.
ومع ذلك، في الموصلات الفائقة الطوبولوجية، تظهر أزواج كوبر تناظرات أكثر تعقيدًا. "هذا التناظر بدوره يخلق حالات كمومية خاصة تسمى فرميونات ماجورانا على سطح المادة."جبل 﨑وأوضح.
تنبأ إيتوري ماجورانا لأول مرة في عام 1937، بأن فرميون ماجورانا هو جسيم مطابق لجسيمه المضاد.
يظهر زوج من فرميونات ماجورانا على سطح موصل فائق طوبولوجي متماثل معكوس زمنيًا. وتُعرف باسم "تماثلات عكس الزمن" - أي أن سلوكها سيبقى كما هو إذا تم عكس الزمن. كما أنها تتمتع بخاصية الاستجابة الكهرومغناطيسية التي تتغير مع الاتجاه، والتي تسمى استجابة ماجورانا متعددة الأقطاب.
لكن في بعض المواد الخاصة، تكسر أزواج كوبر هذا التناظر العكسي الزمني، بحيث لا تعد فرميونات ماجورانا تشكل أزواجًا.
جبل 﨑قال: "في الموصل الفائق الطوبولوجي ذي التناظر العكسي الزمني المكسور، سيظهر فيرميون ماجورانا عند الحدود. وبما أنه محايد كهربائيًا، فلن يتفاعل مع المجالات الخارجية."
يصبح اكتشاف فرميونات ماجورانا المعزولة أمرًا صعبًا بسبب قلة التفاعل مع المجال. لإيجاد طرق لدراستها،جبل 﨑ووسع كوباياشي نظريًا مفهوم استجابة ماجورانا متعددة الأقطاب إلى الموصلات الفائقة الطوبولوجية ذات التناظر العكسي الزمني المكسور.
وبهذه الطريقة، أظهروا كيف يمكن للاستجابة الكهرومغناطيسية لفرميونات ماجورانا أن توفر نظرة ثاقبة لطبيعة أزواج كوبر في المادة فائقة التوصيل الأساسية.
جبل 﨑وقال: "لقد حدد بحثنا الخصائص الكهرومغناطيسية الأساسية لفرميونات ماجورانا في الموصلات الفائقة الطوبولوجية. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف آثارها على الكميات الفيزيائية الحقيقية وإنشاء تقنيات للكشف عن هذه التأثيرات".
تم تجميعها من /ScitechDaily