تجري إيلينا هاسنجر، الخبيرة في فيزياء درجات الحرارة المنخفضة والتي تعمل في ct.qmat - التعقيد والطوبولوجيا في المادة الكمومية (مبادرة مشتركة بين جامعتي فورتسبورغ ودريسدن)، أبحاثًا كانت مرادفة للبرد الشديد. وفي عام 2021، اكتشفت زرنيخ السيريوم والروديوم فائق التوصيل غير التقليدي (CeRh2As2). تحتوي الموصلات الفائقة عادةً على مرحلة نقل إلكترون واحدة عديمة المقاومة، والتي تحدث تحت درجة حرارة حرجة معينة. ومع ذلك، وفقًا للمجلة الأكاديمية Science، فإن CeRh2As2 هي المادة الكمومية الوحيدة حتى الآن التي تمتلك حالتين محددتين من الموصلية الفائقة.
الموصل الفائق غير التقليدي CeRh2As2: النجم الكمومي
لقد كان التوصيل الحالي بدون فقدان في الموصلات الفائقة محورًا أساسيًا لفيزياء الحالة الصلبة لعقود من الزمن، وبرز كاحتمال مهم لهندسة الطاقة المستقبلية. تنتج المرحلة الثانية فائقة التوصيل الموجودة في CeRh2As2 عن بنية بلورية غير متماثلة حول ذرات السيريوم (باقي البنية البلورية متناظرة تمامًا)، مما يجعل هذا المركب مرشحًا رئيسيًا للحوسبة الكمومية الطوبولوجية. وتخطط هاسنجر لتوسيع أبحاثها لتشمل مواد كمومية أخرى ذات خصائص هيكلية غير عادية مماثلة، على أمل تحقيق الموصلية الفائقة الطوبولوجية في درجات حرارة أعلى.
منح مجلس الأبحاث الأوروبي هاسنجر 2.7 مليون يورو (2.96 مليون دولار) لمشروعها "الحالات الكمومية الغريبة ذات التناظر الانعكاسي المكسور محليًا في ظل الظروف القاسية - إكستريم". وفي السنوات الخمس المقبلة، تخطط لاستخدام الأموال لمواصلة دراسة "المعجزة" فائقة التوصيل -CeRh2As2 في مختبر دريسدن، واكتشاف المواد الكمومية ذات الصلة، والمساهمة في تحقيق اختراقات كبيرة في مجال الحوسبة الكمومية الطوبولوجية.
يشرح هاسنجر: "إذا تمكنا من تأكيد توقعاتي النظرية للحالات السطحية الطوبولوجية لمركبات السيريوم والروديوم والزرنيخ في المختبر، فإن هذا من شأنه أن يمهد الطريق لإنشاء البتات الكمومية الطوبولوجية (qubits). سيكون هذا تقدمًا هائلاً".
تُعرف الكيوبتات الطوبولوجية باستقرارها، حيث توفر حالات كمومية أكثر استقرارًا بكثير من الكيوبتات غير الطوبولوجية. أحد أكبر التحديات في البحث الحالي هو تطوير طريقة للحفاظ على 1000 كيوبت في وقت واحد.
إن تحقيق ذلك من شأنه أن يمكّن المعالجات الكمومية من إكمال المهام في دقائق، وهو ما قد يستغرق سنوات في الحواسيب العملاقة التقليدية. ولهذا السبب تركز العقول النيرة في ct.qmat على أبحاث المواد الكمومية الطوبولوجية.
لدراسة زرنيخ السيريوم والروديوم فائق التوصيل غير التقليدي، احتاج هاسنجر أولاً إلى ناظم البرد لتبريد عينات من المادة إلى درجة حرارة أقل من 0.35 كلفن (-272.8 درجة مئوية).
وكشفت أن "هذه الآلة تكلف أكثر من مليون يورو". "عندما تكون العينة باردة بدرجة كافية، فإنها ستتحمل ضغطًا قويًا ومجالًا مغناطيسيًا قويًا للغاية يصل إلى 18 تسلا، وهو ما يتجاوز بكثير المجال المغناطيسي 0.1 تسلا لمغناطيس حدوة حصان نموذجي. يمكن أن يستغرق إجراء قياسات المجال المغناطيسي عالي الجهد هذه عدة أشهر ويتطلب إجراء تعديلات دقيقة كل يوم. هدفها هو دراسة المرحلة الثانية فائقة التوصيل من CeRh2As2 بعناية لإثبات بشكل قاطع أن هذه المادة هي موصل فائق طوبولوجي. إذا نجح البحث، هذه "المادة المعجزة" لن تمكن فقط من توصيل الإلكترون بدون فقدان، ولكن لديها أيضًا حالات سطحية طوبولوجية قوية يمكن استخدامها في عمليات الحوسبة الكمومية.
"يقوم مجلس البحوث الأوروبي بتمويل الأبحاث الرائدة الواعدة من خلال منحة توحيد مجلس البحوث الأوروبي (ERCConsolidatorGrant). بهذه المنحة الجديدة، من المتوقع أن يكون هاسنجر أول من حدد بشكل تجريبي حالتها الكمومية الغريبة واكتشف الحالات الكمومية ذات الصلة في مواد مماثلة في درجات حرارة أعلى"، كما يقول البروفيسور ماتياس فوجتا، المتحدث باسم ct.qmat دريسدن. "يسعدنا أن تصبح عضوًا في عائلة أبحاث ct.qmat لدينا."
المصدر المجمع: ScitechDaily