ثورة في عالم فيزياء الكم: الجرافين متعدد الطبقات يكشف عن حالات فائقة التوصيل تنتهك القوانين الفيزيائية المعروفة

في عالم الفيزياء، تُعرف الموصلية الفائقة (Superconductivity) بأنها حالة تختفي فيها المقاومة الكهربائية تماماً، مما يسمح بتدفق التيار دون أي فقد للطاقة. لكن تقليدياً، هذه الحالة المثالية هشة للغاية وتنهار بسرعة عند تعرضها للمجالات المغناطيسية أو ارتفاع درجات الحرارة.

في اكتشاف ثوري، كشف باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بقيادة البروفيسور لونغ جو (Long Ju) عن سلوك غريب ومدهش في مادة الجرافين ذات التركيب "المعيني السطوح" (Rhombohedral). هذه المادة - وهي شكل خاص من ترتيب ذرات الكربون في الجرافين - أظهرت قدرة على استضافة حالات متعددة من الموصلية الفائقة غير التقليدية التي تنتهك كل القواعد المعروفة.

---

اكتشاف حالات فائقة التوصيل متعددة وغير مألوفة

تمكن فريق MIT من تحديد العديد من الأطوار المتميزة للموصلية الفائقة في الجرافين المعيني السطوح (غير الملتوي)، ومن أبرزها:

• الجرافين رباعي وخماسي الطبقات: وجد الباحثون أن هذه الأنظمة تستضيف حالات فائقة التوصيل متعددة. في الجرافين خماسي الطبقات وحده، تم تحديد ثلاثة أنواع مختلفة من الموصلية الفائقة التي يمكن تحفيزها أو تعزيزها بواسطة المجال المغناطيسي .
• الجرافين رباعي الطبقات: تم رصد حالتين فائقتين جديدتين، تظهر كل منهما خصائصاً لولبية (Chirality) ومغناطيسية جوهرية، وهو مزيج لم يُلاحظ من قبل في أي موصل فائق . درجات حرارة التحول لهذه الحالات تصل إلى حوالي 300 ملي كلفن .
• الجرافين سداسي الطبقات: كشف عن طور فائق التوصيل يقوم في الوقت نفسه بكسر التناظر الدوراني والانتقالي والزمني، مما يمثل حالة شديدة التعقيد والغرابة .
• الجرافين سباعي الطبقات: أظهر أيضاً أطواراً فائقة التوصيل متعددة، مما يؤكد أن هذه الظاهرة تتوسع وتتعمق مع زيادة عدد الطبقات .

---

تحدٍ للقواعد الأساسية للفيزياء: كيف تتصرف هذه الحالات مع المجال المغناطيسي؟

في الفيزياء التقليدية، أي موصل فائق من النوع التقليدي (s-wave) يتم تدميره فوراً بواسطة أي مجال مغناطيسي - سواء كان عمودياً أو موازياً للسطح. لكن اكتشافات MIT تقلب هذه القاعدة رأساً على عقب:

• المجال المغناطيسي كمعزز: في الجرافين سداسي الطبقات المعيني، لا يتم تدمير الطور فائق التوصيل بواسطة مجال مغناطيسي عمودي، بل على العكس، يصبح أكثر استقراراً بوجوده .
• مقاومة لا تصدق للمجالات الموازية: الحالات المتعددة في الجرافين رباعي وخماسي وسباعي الطبقات استمرت في العمل حتى في مجالات مغناطيسية موازية تصل شدتها إلى 8.5 تسلا، وهو ما يتجاوز بكثير "الحد البوليماني" (Pauli limit) الذي يفترض أن يدمر أي موصل فائق تقليدي بعشرات المرات .
• المجال المغناطيسي كمحفز: في بعض الظروف، أدى تطبيق مجال مغناطيسي موازٍ إلى تحويل المادة من عازل تماماً إلى موصل فائق، وهو السلوك المعاكس تماماً لما هو متوقع .

---

الآلية المقترحة: "الاقتران الدوراني الثلاثي"

لتفسير هذه الظاهرة الخارقة للقوانين، اقترح فريق MIT آلية فيزيائية جديدة تعتمد على ما يُعرف بـ الاقتران الدوراني الثلاثي (Spin-triplet pairing) . إليك العناصر الأساسية لهذه الفكرة:

1. حالة طبيعية مكسورة التناظر: الحالة الطبيعية (Normal state) لهذه الأنظمة تتميز بـ "استقطاب أيزوسبيني" (Isospin polarization)، أي أن إلكتروناتها تصطف في اتجاه دوران (Spin) محدد وفي وادٍ (Valley) طاقوي محدد، مما يكسر تناظر انعكاس الزمن (Time-reversal symmetry) حتى قبل أن تبدأ الموصلية الفائقة .
2. حالة "الربع المعدني": تظهر الموصلية الفائقة من حالة طبيعية تُعرف بـ "الربع المعدني" (Quarter-metal)، والتي تتميز بوجود إلكترونات من نوع واحد فقط من الدوران والوادي والحزمة الطاقوية وجيب فيرمي .
3. اقتران متوازي: في هذه الحالة، تتزاوج الإلكترونات في أزواج متوازية الدوران بدلاً من المتقابلة، مما يجعلها مقاومة للاضطرابات المغناطيسية. هذه هي السمات المميزة لـ الاقتران الدوراني الثلاثي أو الأنظمة فائقة التوصيل اللولبية .

---

آفاق وتطبيقات المستقبل

هذه الاكتشافات ليست مجرد فضول علمي، بل تفتح أبواباً جديدة في مجال فيزياء المادة المكثفة والموصلية الفائقة:

• منصة مثالية للدراسة: يوفر الجرافين المعيني متعدد الطبقات منصة نظيفة وقابلة للضبط الكهربائي لدراسة الموصلية الفائقة غير التقليدية عبر أعداد مختلفة من الطبقات .
• تأكيد الموصلية الفائقة اللولبية: إن التعايش بين الموصلية الفائقة والمغناطيسية الجوهرية في مادة واحدة يعد تأكيداً قوياً على وجود الموصلات الفائقة اللولبية، وهو حالة طالما تم التنبؤ بها نظرياً لكن نادراً ما شوهدت عملياً .
• أقوى دليل على الاقتران الثلاثي: إن قدرة هذه المواد على تحمل المجالات المغناطيسية القوية توفر واحداً من أقوى الأدلة حتى الآن على وجود الموصلية الفائقة القائمة على الاقتران الدوراني الثلاثي .
• بوابة للحوسبة الكمومية: تتنبأ النظريات بأن هذه الحالات قد تستضيف جسيمات تُعرف بـ "فرميونات ماجورانا" (Majorana fermions) وشبكات من الدوامات العفوية، وهي عناصر أساسية لبناء حواسيب كمومية طوبولوجية مقاومة للأخطاء .
• توسيع أفق البحث: أهم ما في هذه الاكتشافات هو إثبات أن الموصلية الفائقة غير التقليدية لا تتطلب أنظمة "الزاوية السحرية" في الجرافين الملتوي فقط، بل يمكن أن تنشأ من البنية الإلكترونية الجوهرية للجرافين المعيني نفسه، مما يوسع بشكل كبير مساحة البحث عن مواد فائقة التوصيل جديدة .