درجات ذرية بارتفاع ذرة واحدة تفتح طريقاً جديداً للتحكم في الموصلات الفائقة

اكتشف فريق بحثي ياباني أن درجات ذرية دقيقة لا يتجاوز ارتفاع كل منها ارتفاع ذرة واحدة، يمكن أن توجّه حركة الدوّامات الكمية داخل مادة فائقة الموصلية بدقة ملحوظة، في اكتشاف قد يمهّد الطريق لجيل جديد من الإلكترونيات الفائقة الموصلية الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. وقادت الدراسة مجموعة مركز أبحاث هندسة النانو للمواد التابع للمعهد الوطني للعلوم المواد في اليابان، بإشراف الباحث تاكاشي أوتشيهاشي، وبمشاركة الباحثين وينشوان تشيان وياش تشوهان وريوهي نيموتو وكيسوكي ساغيساكا وشونسوكي يوشيزاوا، ونُشرت نتائجها في مجلة Physical Review B.وتتشكل الدوّامات الكمية حين يخترق المجال المغناطيسي الخارجي طبقة المادة الفائقة الموصلية، إذ تحمل كل دوّامة كماً محدداً وثابتاً من التدفق المغناطيسي بدلاً من انتشاره بشكل متصل داخل المادة. وتتحرك هذه الدوّامات عند مرور تيار كهربائي خلال المادة، وتُعرف حركتها بأنها أحد أهم العوامل التي تحد من كفاءة الموصلات الفائقة في التطبيقات العملية، لأن حركة الدوّامات غير المنضبطة تولّد حرارة وتبدد جزءاً من الطاقة التي يفترض أن تنتقل دون أي فقد.ولمعالجة هذا التحدي، درس الفريق سطحاً بلورياً جانحياً، أي سطحاً يميل بزاوية طفيفة عن المستوى الذري الأساسي للمادة، فينتج عن هذا الانحراف الطفيف تدرج منتظم من الدرجات الذرية المتوازية على السطح. وباستخدام تقنية المجهرية النفقية الماسحة، التي تستغل ظاهرة النفق الكمي لتصوير أسطح المواد بدقة تبلغ مستوى الذرة المفردة، تأكد الباحثون من أن هذه الدرجات متوازية بدقة، وأن الدوّامات الكمية تتمركز بالفعل بمحاذاتها.وأظهرت قياسات المقاومة الكهربائية التي أجراها الفريق باستخدام أربعة أطراف توصيل أن الدوّامات تتحرك بسهولة أكبر بأكثر من ألف مرة في الاتجاه الموازي للدرجات الذرية مقارنة بالاتجاه العمودي عليها، وذلك عند تطبيق مجالات مغناطيسية متوسطة الشدة. وفي نطاق مجال مغناطيسي يتراوح بين 0.10 و0.20 تسلا تقريباً، رصد الباحثون ما وصفوه بتدفق أحادي البعد خال من التثبيت، أي أن الدوّامات تنساب بحرية كاملة على طول الدرجات دون أن تحتجزها عيوب أو شوائب المادة، وهي ظاهرة تُعرف عموماً باسم تثبيت الدوّامات وتمثل عقبة شائعة أمام حركتها المنضبطة.ولاحظ الفريق أيضاً أن درجة الحرارة وشدة المجال المغناطيسي يمكن أن تُستخدما لضبط قوة هذا التوجيه، مما يفتح إمكانية التحكم الدقيق في سلوك الدوّامات حسب الحاجة. ومن الملاحظات اللافتة في الدراسة أن حركة الدوّامات عند درجات الحرارة المنخفضة جداً كانت محكومة بظاهرة النفق الكمي، وهي ظاهرة تتيح للجسيمات الدقيقة اختراق حواجز الطاقة التي تعجز عن تجاوزها وفق قوانين الفيزياء الكلاسيكية، مما يؤكد أن سلوك الدوّامات في هذه الظروف يخضع لقواعد كمية بحتة لا تخضع لها الظواهر الفيزيائية المألوفة في حياتنا اليومية.ويرى الباحثون أن هذا الاكتشاف يحمل دلالات عملية مهمة لتطوير الإلكترونيات الفائقة الموصلية في المستقبل، وهي فئة من الدوائر والأجهزة التي تعتمد على مواد فائقة الموصلية لتقليل الفقد الحراري ورفع سرعة معالجة المعلومات مقارنة بالإلكترونيات التقليدية القائمة على أشباه الموصلات. فالقدرة على توجيه حركة الدوّامات الكمية بدقة، والتحكم في مسارها واتجاهها عبر تصميم هندسي بسيط على مستوى الذرة الواحدة، قد تساعد المهندسين على إدارة تدفق الحرارة وتبديد الطاقة في الدوائر الفائقة الموصلية المستقبلية بطريقة أكثر كفاءة.ومع ذلك، يشير الباحثون إلى أن الطريق لا يزال طويلاً أمام تحويل هذا الاكتشاف المعملي إلى تطبيقات عملية جاهزة للاستخدام التجاري، فالنتائج حالياً تقتصر على عينات مختبرية دقيقة التصنيع، وتحتاج إلى مزيد من البحث والتطوير لفهم كيفية دمج هذه الآلية في مكونات إلكترونية فعلية قابلة للتصنيع على نطاق واسع.

وتتصل هذه النتائج باهتمام متزايد في المنطقة العربية بتقنيات الحوسبة الكمية؛ إذ أعلن مركز الملك عبدالعزيز لتقنية المعلومات (سايا) في المملكة العربية السعودية عن توجهات نحو بناء بنية تحتية للحوسبة الكمية، كما يُموّل مركز محمد بن زايد للذكاء الاصطناعي في الإمارات أبحاثاً في الأنظمة الحوسبية المتقدمة. والقدرة على التحكم الدقيق في الدوامات الكمية قد تُسهم في تحسين كفاءة المعالجات الفائقة الموصلية الضرورية للأجيال القادمة من الحواسيب الكمية، مما يجعل هذا الاكتشاف ذا صلة مباشرة بمسيرة التقنية العربية.