Sci - nature wiki

النوع المكتشف حديثًا من “المعدن الغريب” – مادة تشترك في سمات الكم الأساسية مع الثقوب السوداء

0

معادن غريبة حالة جديدة للمادة

اكتشاف جديد يمكن أن يساعد العلماء على فهم “معادن غريبة” ، وهي فئة من المواد ترتبط بالموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية وتتشارك الصفات الكمومية الأساسية مع الثقوب السوداء.

يفهم العلماء جيدًا كيف تؤثر درجة الحرارة على التوصيل الكهربائي في معظم المعادن اليومية مثل النحاس أو الفضة. لكن في السنوات الأخيرة ، حوّل الباحثون انتباههم إلى فئة من المواد التي لا يبدو أنها تتبع القواعد الكهربائية التقليدية. يمكن أن يوفر فهم ما يسمى بـ “المعادن الغريبة” رؤى أساسية للعالم الكمي ، وربما يساعد العلماء على فهم الظواهر الغريبة مثل الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية.

الآن ، أضاف فريق بحث بقيادة أحد علماء الفيزياء في جامعة براون اكتشافًا جديدًا إلى مزيج المعادن الغريب. في بحث منشور في المجلة طبيعة سجيةوجد الفريق سلوكًا معدنيًا غريبًا في مادة لا تحمل فيها الشحنة الكهربائية بواسطة الإلكترونات ، ولكن بواسطة كيانات “تشبه الموجة” تسمى أزواج كوبر.

بينما تنتمي الإلكترونات إلى فئة من الجسيمات تسمى الفرميونات ، تعمل أزواج كوبر كبوزونات تتبع قواعد مختلفة تمامًا عن الفرميونات. هذه هي المرة الأولى التي يُشاهد فيها سلوك معدني غريب في نظام بوزوني ، ويأمل الباحثون أن يكون الاكتشاف مفيدًا في إيجاد تفسير لكيفية عمل المعادن الغريبة – وهو الأمر الذي استعصى على العلماء لعقود.

أكسيد الإيتريوم الباريوم والنحاس مصفّف مع ثقوب صغيرة

باستخدام مادة تسمى أكسيد نحاس الإيتريوم الباريوم مصفوفة بثقوب صغيرة ، اكتشف الباحثون سلوك “معدن غريب” في نوع من النظام حيث تكون حاملات الشحنة عبارة عن بوزونات ، وهو شيء لم يسبق رؤيته من قبل. الائتمان: جامعة براون

قال جيم فاليس ، أستاذ الفيزياء في براون والمؤلف المقابل للدراسة: “لدينا هذان النوعان المختلفان اختلافًا جوهريًا من الجسيمات التي تتقارب سلوكياتها حول لغز”. “ما يقوله هذا هو أن أي نظرية تشرح السلوك المعدني الغريب لا يمكن أن تكون خاصة بأي نوع من الجسيمات. يجب أن تكون أكثر جوهرية من ذلك “.

معادن غريبة

تم اكتشاف السلوك المعدني الغريب لأول مرة منذ حوالي 30 عامًا في فئة من المواد تسمى النحاسات. تشتهر مواد أكسيد النحاس هذه بكونها موصلات فائقة عالية الحرارة ، مما يعني أنها موصلة للكهرباء بمقاومة صفرية عند درجات حرارة أعلى بكثير من تلك الموجودة في الموصلات الفائقة العادية. ولكن حتى في درجات حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة بالنسبة إلى الموصلية الفائقة ، تعمل النحاسات بشكل غريب مقارنة بالمعادن الأخرى.

مع زيادة درجة حرارتها ، تزداد مقاومة الكوبريتات بطريقة خطية تمامًا. في المعادن العادية ، تزداد المقاومة حتى الآن فقط ، وتصبح ثابتة عند درجات حرارة عالية وفقًا لما يُعرف باسم نظرية سائل فيرمي. تنشأ المقاومة عندما تتدفق الإلكترونات في انفجار معدني في التركيب الذري للمعدن المهتز ، مما يؤدي إلى تبعثرها. تحدد نظرية السائل الفرمي الحد الأقصى للمعدل الذي يمكن أن يحدث فيه تشتت الإلكترون. لكن المعادن الغريبة لا تتبع قواعد سائل فيرمي ، ولا أحد متأكد من كيفية عملها. ما يعرفه العلماء هو أن علاقة مقاومة درجة الحرارة في المعادن الغريبة تبدو مرتبطة بثابتين أساسيتين من ثوابت الطبيعة: ثابت بولتزمان ، الذي يمثل الطاقة الناتجة عن الحركة الحرارية العشوائية ، وثابت بلانك ، الذي يتعلق بطاقة الفوتون. (جسيم من الضوء).

قال فاليس: “لمحاولة فهم ما يحدث في هذه المعادن الغريبة ، طبق الناس مناهج رياضية مشابهة لتلك المستخدمة لفهم الثقوب السوداء”. “لذلك هناك بعض الفيزياء الأساسية جدًا تحدث في هذه المواد.”

من البوزونات والفرميونات

في السنوات الأخيرة ، كان فاليس وزملاؤه يدرسون النشاط الكهربائي الذي لا تكون فيه حاملات الشحنة إلكترونات. في عام 1952 ، اكتشف ليون كوبر الحائز على جائزة نوبل ، وهو الآن أستاذ فخري في جامعة براون ، أنه في الموصلات الفائقة العادية (وليس النوع عالي الحرارة الذي اكتشف لاحقًا) ، تتعاون الإلكترونات لتشكيل أزواج كوبر ، والتي يمكنها الانزلاق عبر شبكة ذرية بدون مقاومة . على الرغم من كونها تتكون من إلكترونين ، وهما الفرميونات ، يمكن أن تعمل أزواج كوبر كبوزونات.

قال فاليس: “عادة ما تتصرف أنظمة الفرميون والبوزون بشكل مختلف تمامًا”. “على عكس الفرميونات الفردية ، يُسمح للبوزونات بالاشتراك في نفس الحالة الكمية ، مما يعني أنها يمكن أن تتحرك بشكل جماعي مثل جزيئات الماء في تموجات الموجة.”

في عام 2019 ، أظهر فاليس وزملاؤه أن بوزونات كوبر يمكن أن تنتج سلوكًا معدنيًا ، مما يعني أنها تستطيع توصيل الكهرباء بقدر من المقاومة. يقول الباحثون إن هذا في حد ذاته كان اكتشافًا مفاجئًا ، لأن عناصر نظرية الكم تشير إلى أن هذه الظاهرة لا ينبغي أن تكون ممكنة. في هذا البحث الأخير ، أراد الفريق معرفة ما إذا كانت معادن bosonic Cooper-pair معادن غريبة أيضًا.

استخدم الفريق مادة نحاسية تسمى أكسيد نحاس الإيتريوم الباريوم المزخرف بثقوب صغيرة تحفز الحالة المعدنية لزوج كوبر. قام الفريق بتبريد المادة إلى ما فوق درجة حرارة الموصلية الفائقة بقليل لملاحظة التغيرات في توصيلها. وجدوا ، مثل المعادن الغريبة الفرميونية ، موصلة معدنية لزوج كوبر تكون خطية مع درجة الحرارة.

يقول الباحثون إن هذا الاكتشاف الجديد سيمنح المنظرين شيئًا جديدًا لمضغه وهم يحاولون فهم السلوك المعدني الغريب.

قال فاليس: “كان من الصعب على المنظرين التوصل إلى تفسير لما نراه في المعادن الغريبة”. “يُظهر عملنا أنه إذا كنت ستصمم نموذجًا لنقل الشحنة في معادن غريبة ، فيجب أن ينطبق هذا النموذج على كل من الفرميونات والبوزونات – على الرغم من أن هذه الأنواع من الجسيمات تتبع قواعد مختلفة اختلافًا جوهريًا.”

في النهاية ، يمكن أن يكون لنظرية المعادن الغريبة آثار هائلة. يمكن أن يحمل السلوك المعدني الغريب المفتاح لفهم الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية ، والتي لها إمكانات هائلة لأشياء مثل شبكات الطاقة غير المفقودة وأجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولأن سلوك المعدن الغريب يبدو مرتبطًا بالثوابت الأساسية للكون ، فإن فهم سلوكهم يمكن أن يلقي الضوء على الحقائق الأساسية لكيفية عمل العالم المادي.

المرجع: “توقيعات معدن غريب في نظام بوزوني” بقلم تشاو يانغ ، وهايوين ليو ، ويي ليو ، وجيان دونغ وانغ ، ودونغ كيو ، وسيشوانغ وانغ ، ويانغ وانغ ، وتشيانمي هي ، وشيولي لي ، وبنغ لي ، ويوي تانغ ، وجيان وانغ ، XC Xie، James M. Valles Jr، Jie Xiong and Yanrong Li، 12 كانون الثاني (يناير) 2022 ، طبيعة سجية.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04239-y

Leave A Reply

Your email address will not be published.