مسیر کوانتومی یک اتمی می‌تواند عملکرد ابررساناها را متحول کند

در ابررساناهای با ضخامت مقیاس اتمی، پله‌های اتمی مانند ریل‌ها حرکت گرداب‌های کوانتومی را هدایت می‌کنند. منبع: MANA NIMS و Art Action Inc.

این کشف توسط محققان مرکز تحقیقات نانوساختارهای مواد (MANA)، بخشی از موسسه ملی علم مواد ژاپن (NIMS) انجام شد. یافته‌های آن‌ها رویکرد جدیدی امیدوارکننده برای کنترل رفتار کوانتومی ارائه می‌دهد و در نهایت می‌تواند به مهندسان کمک کند تا الکترونیک ابررسانایی را توسعه دهند که انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کند در حالی که اطلاعات را کارآمدتر پردازش می‌کند.

چرا کنترل گرداب‌های کوانتومی مهم است

ابررساناها مواد غیرعادی هستند که می‌توانند الکتریسیته را بدون مقاومت الکتریکی در صورت سرد شدن زیر دمای بحرانی حمل کنند. این ویژگی آن‌ها را برای توسعه الکترونیک بسیار کارآمد و سایر فناوری‌های پیشرفته جذاب می‌کند.

با این حال، ابررساناها همچنین حاوی ساختارهای کوانتومی کوچکی به نام گرداب هستند. اینها در جایی تشکیل می‌شوند که میدان‌های مغناطیسی به داخل ماده نفوذ می‌کنند و مناطق کوچکی را ایجاد می‌کنند که توسط جریان‌های الکتریکی در گردش احاطه شده‌اند. هنگامی که گرداب‌ها حرکت می‌کنند، می‌توانند مقاومت الکتریکی ایجاد کرده و بر عملکرد ابررسانا تأثیر بگذارند.

بنابراین، توانایی کنترل جایی که این گرداب‌ها حرکت می‌کنند می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا دستگاه‌های ابررسانایی را بهبود بخشند. تا کنون، هدایت حرکت آن‌ها در ابررساناهای بسیار نازک و دو بعدی به ویژه دشوار بوده است.

برای بررسی این چالش، تیمی به رهبری تاکاشی اوچی‌هاشی در MANA، یک ابررسانای بسیار نازک را مطالعه کرد که سطح آن حاوی مجموعه‌ای از پله‌های اتمی منظم بود. با استفاده از میکروسکوپ تونلی اسکن، تکنیکی که قادر به تصویربرداری از سطوح در سطح اتمی است، محققان تأیید کردند که پله‌ها به موازات یکدیگر قرار دارند و موقعیت گرداب‌ها را مستقیماً در امتداد آن‌ها مشاهده کردند.

یافته‌ها در مجله Physical Review B منتشر شد.

پله‌های اتمی مانند ریل برای حرکت کوانتومی عمل می‌کنند

تجربیات تفاوت قابل توجهی در میزان سهولت حرکت گرداب‌ها را بسته به جهت آن‌ها نشان داد.

با استفاده از اندازه‌گیری مقاومت چهار ترمینالی، که به محققان اجازه می‌دهد تا مقاومت الکتریکی را به طور دقیق اندازه‌گیری کنند، تیم دریافت که گرداب‌ها بیش از 1000 برابر آسان‌تر در امتداد پله‌های اتمی نسبت به عرض آن‌ها حرکت می‌کنند، زمانی که در معرض میدان‌های مغناطیسی متوسط ​​قرار می‌گیرند.

در واقع، پله‌ها مانند ریل‌های کوچکی عمل می‌کردند و مسیرهای ترجیحی را برای گرداب‌های کوانتومی برای دنبال کردن ایجاد می‌کردند.

اوچی‌هاشی گفت: «مطالعه ما نشان می‌دهد که پله‌های مقیاس اتمی می‌توانند به عنوان ریل‌های موثری عمل کنند که گرداب‌های ابررسانا را هدایت می‌کنند و می‌توان این اثر هدایت را صرفاً با تغییر دما یا میدان مغناطیسی تنظیم کرد.

محققان همچنین رفتار جالبی را در محدوده میدان مغناطیسی تقریباً 0.10 تا 0.20 تسلا (واحد اندازه‌گیری قدرت میدان مغناطیسی) شناسایی کردند. در این محدوده، گرداب‌ها می‌توانستند آزادانه در امتداد پله‌ها جریان یابند بدون اینکه توسط نقص‌های موجود در ماده به دام بیفتند.

این رفتار، که به عنوان جریان بدون پین‌کردن گرداب تک بعدی شناخته می‌شود، به این معنی است که گرداب‌ها می‌توانند در امتداد یک مسیر مشخص بدون مواجهه با موانع معمول که حرکت آن‌ها را محدود می‌کند، حرکت کنند.

در کمترین دماها، محققان اثر غیرعادی دیگری را مشاهده کردند. حرکت گرداب توسط تونل‌زنی کوانتومی کنترل می‌شد، پدیده‌ای که در آن اشیاء کوانتومی می‌توانند از موانع انرژی عبور کنند که معمولاً حرکت آن‌ها را در فیزیک کلاسیک متوقف می‌کند.

راه جدیدی به سوی ابررساناهای کارآمدتر

یافته‌ها نشان می‌دهد که حتی یک ویژگی سطحی به ارتفاع تنها یک اتم می‌تواند تأثیر قدرتمندی بر حرکت گرداب‌های کوانتومی داشته باشد.

با استفاده از این پله‌های اتمی به عنوان مسیرهای راهنما طبیعی، دانشمندان ممکن است بتوانند حرکت گرداب را با دقت قابل توجهی کنترل کنند. توانایی تنظیم آن حرکت از طریق دما و میدان‌های مغناطیسی نیز راه دیگری برای تأثیرگذاری بر نحوه رفتار ابررساناها فراهم می‌کند.

اگرچه کاربردهای عملی به توسعه بیشتری نیاز دارد، این رویکرد مقیاس اتمی می‌تواند در نهایت به محققان کمک کند تا حرکت گرداب و جریان حرارت را در فناوری‌های ابررسانایی آینده مدیریت کنند و به طور بالقوه دستگاه‌های کارآمدتری را که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، فعال کنند.