في المواد فائقة التوصيل، يتدفق التيار الكهربائي دون أي مقاومة. هناك عدد غير قليل من التطبيقات العملية لهذه الظاهرة؛ ومع ذلك، لا تزال العديد من الأسئلة الأساسية دون إجابة حتى الآن. قام البروفيسور المشارك جوستين يي، رئيس مجموعة فيزياء الأجهزة للمواد المعقدة في جامعة جرونينجن، بدراسة الموصلية الفائقة في طبقة مزدوجة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم واكتشف حالات موصلية فائقة جديدة. نُشرت النتائج في مجلة Nature Nanotechnology في الرابع من نوفمبر.

لقد تم إظهار الموصلية الفائقة في بلورات أحادية الطبقة، على سبيل المثال، ثاني كبريتيد الموليبدينوم أو ثاني كبريتيد التنغستن التي يبلغ سمكها ثلاث ذرات فقط. يشرح يي: "في كلا الطبقتين الأحاديتين، هناك نوع خاص من الموصلية الفائقة حيث يحمي المجال المغناطيسي الداخلي حالة التوصيل الفائق من المجالات المغناطيسية الخارجية". تختفي الموصلية الفائقة العادية عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي كبير، لكن الموصلية الفائقة في إيسينج محمية بقوة. حتى في أقوى مجال مغناطيسي ثابت في أوروبا، والذي تبلغ قوته 37 تسلا، فإن الموصلية الفائقة في ثاني كبريتيد التنغستن لا تظهر أي تغيير. ومع ذلك، على الرغم من أنه أمر رائع أن يكون لديك مثل هذه الحماية القوية، فإن التحدي التالي هو إيجاد طريقة للتحكم في هذا التأثير الوقائي، من خلال تطبيق مجال كهربائي.

حالات الموصلية الفائقة الجديدة

درس يي ومعاونوه طبقة مزدوجة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم: "في هذا التكوين، يخلق التفاعل بين الطبقتين حالات جديدة فائقة التوصيل." أنشأ يي طبقة مزدوجة معلقة، مع وجود سائل أيوني على كلا الجانبين يمكن استخدامه لإنشاء مجال كهربائي عبر الطبقة الثنائية. "في الطبقة الأحادية الفردية، سيكون هذا المجال غير متماثل، مع وجود أيونات موجبة على جانب واحد وشحنات سالبة مستحثة على الجانب الآخر. ومع ذلك، في الطبقة الثنائية، يمكن أن يكون لدينا نفس مقدار الشحنة المستحثة في كلا الطبقتين الأحاديتين، مما يخلق نظامًا متماثلًا. ويمكن استخدام المجال الكهربائي الذي تم إنشاؤه على هذا النحو لتشغيل وإيقاف الموصلية الفائقة. وهذا يعني أنه تم إنشاء ترانزستور فائق التوصيل يمكن تمريره عبر السائل الأيوني.

في الطبقة المزدوجة، تختفي حماية Ising ضد المجالات المغناطيسية الخارجية. "يحدث هذا بسبب التغيرات في التفاعل بين الطبقتين." ومع ذلك، يمكن للمجال الكهربائي استعادة الحماية. "يعتمد مستوى الحماية على مدى قوة بوابة الجهاز."

أزواج كوبر

بصرف النظر عن إنشاء ترانزستور فائق التوصيل، قدم يي وزملاؤه ملاحظة أخرى مثيرة للاهتمام. في عام 1964، تم التنبؤ بوجود حالة خاصة فائقة التوصيل، تسمى حالة FFLO (سميت على اسم العلماء الذين تنبأوا بها: فولدي، فيريل، لاركين وأوفشينيكوف). في الموصلية الفائقة، تنتقل الإلكترونات في أزواج في اتجاهين متعاكسين. وبما أنهما يسافران بالسرعة نفسها، فإن كمية الحركة الحركية الإجمالية لأزواج كوبر هذه تساوي صفرًا. لكن في حالة FFLO، يوجد فرق بسيط في السرعة وبالتالي فإن الزخم الحركي ليس صفرًا. حتى الآن، لم تتم دراسة هذه الحالة بشكل صحيح في التجارب.

يقول يي: "لقد استوفينا جميع المتطلبات الأساسية تقريبًا لإعداد حالة FFLO في أجهزتنا". "لكن الحالة هشة للغاية وتتأثر بشكل كبير بالتلوث على سطح المواد لدينا. ولذلك، سنحتاج إلى تكرار التجارب على عينات أنظف.

ومع الطبقة الثنائية المعلقة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم، يمتلك يي ومعاونوه جميع المكونات اللازمة لدراسة بعض حالات التوصيل الفائق الخاصة. "هذا هو حقا العلم الأساسي الذي قد يجلب لنا تغييرات مفاهيمية."