الطور الفائق غير التقليدي القابل لإعادة الظهور الناجم عن استبدال عناصر الأرض النادرة في أفلام رقيقة Nd1-xEuxNiO2

لماذا يمكن أن يجعل خلط المعادن الموصلات الفائقة أفضل

المواد فائقة التوصيل قادرة على نقل الكهرباء بدون خسارة، مما يعد بخطوط طاقة فائقة الكفاءة ومغانط قوية وإلكترونيات الجيل القادم. معظم الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة المكتشفة حتى الآن تعتمد على النحاس. تستكشف هذه الدراسة عائلة أحدث مصنوعة من النيكل وتُظهر أن استبدال طبقة من عناصر الأرض النادرة بعنصر مغناطيسي بعناية، وهو الأوروبيوم، يمكن ألا يعزز التوصيل الفائق فحسب، بل يسمح له أيضاً بالازدهار تحت حقول مغناطيسية قوية كانت ستدمره عادة.

دخول الموصلات النيكيلية دائرة الضوء

في السنوات الأخيرة، برزت أفلام رقيقة من ما يُسمى بـ «النيكليدات ذات الطبقات اللامتناهية» كأقارب للنحاس في البحث عن الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة. تُبنى هذه المواد من صفائح متراكمة من النيكل والأكسجين، مع طبقة من ذرات الأرض النادرة مثل النيوديوم (Nd) محشورة بينها. أشارت أعمال سابقة إلى أنه، على عكس الموصلات الفائقة المعتمدة على النحاس، أظهرت النيكليدات أزواج إلكترونية مرتبطة بشكل ضعيف، وهو دليل على قوة توصيل فائق متواضعة نسبياً. ومن المثير للاهتمام أن تغيير عنصر الأرض النادرة كان معروفاً مسبقاً بأنه يغيّر السلوك الفائق، مما يوحي بأن طبقة الفاصل الظاهري غير المهمة تلعب فعلياً دوراً هاماً.

إضافة الأوروبيوم تغيّر المعادلة

يركز المؤلفون على أفلام رقيقة من Nd1-xEuxNiO2، حيث يُستبدل بعض ذرات النيوديوم بالأوروبيوم (Eu). يحمل الأوروبيوم عزوماً مغناطيسية قوية، مما يجعله مغناطيساً محلياً فعالاً داخل البلورة. قامت الفريق بنمو أفلام فائقة الرقة ومتحكم بها بعناية بنسب تركيز مختلفة من الأوروبيوم ثم قاسوا كيف يستجيب مقاومة الكهرباء لدرجة الحرارة ولحقول مغناطيسية شديدة—حتى 60 تسلا، أي أبعد بكثير مما توفره المغناطيسات المخبرية القياسية. بدلاً من أن تقوم الحقول المغناطيسية بإخماد التوصيل الفائق ببساطة، لاحظ الباحثون أمراً لافتاً: على مدى واسع من الحقول، استُقر الطور الفائق وأصبح أكثر متانة.

عندما يحمي المغناطيس التوصيل الفائق

في الظروف العادية، يقوم المجال المغناطيسي في نهاية المطاف بتمزيق الأزواج الإلكترونية التي تمكّن التوصيل الفائق، ما يحدد حدّاً أعلى لشدة المجال قبل أن يعود المادّة إلى المقاومة العادية. في هذه النيكليدات المطعّمة بالأوروبيوم، يُتجاوز هذا الحد بشكل دراماتيكي. كشفت قياسات مفصلة للمقاومة بوصفها دالة لدرجة الحرارة والمجال عن سلوك غير أحادي الاتجاه: يضعف الطور الفائق عند حقول منخفضة، ثم يعاود الظهور أو يزداد قوة عند حقول أعلى، ظاهرة تُعرف باسم التوصيل الفائق القابل لإعادة الظهور. يفسر المؤلفون ذلك بتأثير تعويض مغناطيسي دقيق، نُظِر إليه نظرياً منذ زمن لكن نادراً ما لوحظ في الأفلام الرقيقة. ترتبط عزوم الأوروبيوم بطريقة مضادة للتماسك (أنتي فيرومغناطيسية) مع الإلكترونات في صفائح النيكل‑الأكسجين، مكونة حقلاً مغناطيسياً داخلياً يعارض الحقل المطبق. مع استقطاب الحقل الخارجي لعزوم Eu، يلغي حقلها الداخلي جزئياً الحقل الذي تشعر به الإلكترونات المسؤولة عن التوصيل الفائق، مما يسمح للتوصيل الفائق بالبقاء—بل والتحسن—عند حقول كان ينبغي أن يتلاشى عندها.

قياس قوة اقتران الأزواج الإلكترونية

لاكتشاف مدى قوة اقتران الإلكترونات في هذه المواد، لجأ الفريق إلى طيفية تحت الحمراء، التي يمكنها كشف الطاقة اللازمة لتفكيك الأزواج. من خلال مقارنة الضوءَ المنعكس من الفيلم فوق وتحت درجة حرارة التحول الفائق، استخرجوا حجم الفجوة الفائقة. الفجوة التي قاسوها في الأفلام المطعّمة بالأوروبيوم أكبر بشكل ملحوظ مما هي عليه في النيكليدات المماثلة المطعّمة بالسترونشيوم بدلاً من الأوروبيوم. معبّراً عنها نسبة إلى درجة حرارة الانتقال، تقع هذه الفجوة في نفس نطاق الموصلات الفائقة المؤلفة من أكاسيد النحاس ذات الاقتران القوي، مما يشير إلى أن تفاعل الزوجية هنا أيضاً قوي بصورة غير عادية. تتوافق البيانات مع حالة ذات عقدة شبيهة بموجة-d، حيث تختفي الفجوة على امتداد اتجاهات معينة، وهو ما ينعكس مرة أخرى سلوك مواد الكبريتات النحاسية المرصودة جيداً.

تشكيل التوصيل الفائق من خلال الاستبدالات الذرية

جمع الباحثون تجاربهم مع حسابات ميكانيكية كمية متقدمة ليُظهروا أن عزوم الأوروبيوم تمارس مجال تبادل كبيراً خصيصاً على الإلكترونات في مدار النيكل الأكثر مسؤولية عن التوصيل الفائق. يبدو أن هذا التفاعل الموجّه يعزز قوة الاقتران وهو أساسي لتأثير تعويض المجال المغناطيسي. في الوقت نفسه، يغيّر الحجم الأيوني الأصغر للأوروبيوم بشكل طفيف المسافة بين طبقات النيكل‑الأكسجين، ما قد يعزز الاقتران أيضاً. معاً، تحول هذه التأثيرات Nd1-xEuxNiO2 إلى موصل فائق غير تقليدي ذي اقتران قوي يتباين سلوكه بشكل حاد مع قريبته المطعّمة بالسترونشيوم.

ماذا يعني هذا لمستقبل الموصلات الفائقة

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه العمل أن اختيار مكوّن الأرض النادرة المغناطيسي المناسب يمكن العلماء من زيادة قوة التوصيل الفائق في النيكليدات وجعلها أيضاً مقاومة بشكل غير معتاد للحقول المغناطيسية القوية. تعمل ذرات الأوروبيوم كمغانط داخلية قابلة للتعديل تحمي الإلكترونات المقترنة الهشة بدلاً من تدميرها. يشكل هذا المثال النادر للتوصيل الفائق المعزز بالمجال المغناطيسي في فيلم رقيق مبدأ تصميم قوياً: استخدام المادنات المغناطيسية في طبقات الفاصل لضبط كل من قوة الاقتران والطريقة التي يستجيب بها التوصيل الفائق للظروف القصوى. قد يكون مثل هذا التحكم حاسماً لهندسة موصلات فائقة ذات درجات حرارة أعلى للتطبيقات العملية في العالم الحقيقي.

الاستشهاد: Vu, D., Lee, H., Nicoletti, D. et al. Re-entrant unconventional superconductivity induced by rare-earth substitution in Nd_1-xEu_xNiO₂ thin films. Nat Commun 17, 3480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70254-0

الكلمات المفتاحية: أشباه الموصلات النيكيلية فائقة التوصيل, تطعيم بالأوروبيوم, تعزيز التوصيل الفائق بالمجال المغناطيسي, تأثير جاكارينو-بيتر, الاقتران القوي للزوجية