التيابية الفائقة العائدة في مصفوفة تقاطع جوزيفسون طبيعية مضبوطة بقوة تردد راديوي

تيارات كهربائية تتدفق بلا دافع

في معظم الأوقات، عندما تتحرك الكهرباء عبر سلك فإنها تهدر طاقة على شكل حرارة. المواد فائقة الموصلية مميزة لأنها تسمح للتيار بالتدفق دون هذا الفقد، لكنها عادةً تعمل فقط تحت شروط صارمة من درجات الحرارة المنخفضة ومجالات مغناطيسية قليلة. تستكشف هذه الدراسة انعطافاً غير عادي في هذا السلوك، حيث يبدو أن الموصل الفائق ينطفئ ثم يعود للعمل مجدداً عند تغيير الظروف، كاشفاً في ذلك فيزياء خفية غنية قد تساعد في تصميم أجهزة كمية مستقبلية.

مادة بسيطة بشبكة خفية

يركز الباحثون على الألمنيوم الحبيبي، فيلم رقيق مكوّن من عدد لا يحصى من حبيبات معدنية فائقة التوصيل مفصولة بحواجز عازلة رقيقة. تكوّن هذه الحبيبات معاً شبكة طبيعية من الوصلات الضعيفة للإلكترونات، والمعروفة لدى الفيزيائيين باسم مصفوفة تقاطع جوزيفسون. على الرغم من بساطة كل وصلة بمفردها، يمكن للشبكة ككل أن تظهر سلوكاً جماعياً معقداً. يجذب الألمنيوم الحبيبي الاهتمام لأن حبيباته صغيرة للغاية، مما يقوّي التأثيرات الكمية ويسمح للعلماء بضبط سهولة تحرك الإلكترونات بين الحبيبات.

استخدام موجات الراديو كمقوّم ضبط

بدلاً من إعادة تصنيع المادة في كل مرة يريدون فيها تغيير خصائصها، استخدم الفريق قدرة التردد الراديوي كجهاز تحكم عن بُعد. أرسلوا إشارة راديوية عبر الجهاز بينما مارَسوا أيضاً تياراً مستمراً صغيراً وضبطوا درجة الحرارة والمجال المغناطيسي. عن طريق زيادة قوة الراديو تدريجياً، استطاعوا دفع النظام من حالة فائقة التوصيل السلسة إلى حالة عازلة، حيث يُمنَع التيار بقوة ويصبح المقاومة أعلى بعشرة أضعاف مما هي عليه في حالة المعدن العادي غير الفائق. عند درجات حرارة منخفضة لاحظوا أيضاً مساطب واسعة في الجهد أثناء تغييرهم للتيار، والمعروفة بخطوات شابيرو العملاقة، والتي تكشف أن العديد من الوصلات الضعيفة في الشبكة تعمل بانسجام كما لو كانت تقاطعاً فردياً منظماً جيداً.

موصل فائق يغادر ثم يعود

أبرز تأثير ظهر عندما رسم الفريق خريطة لتغير المقاومة مع كل من درجة الحرارة وقوة الراديو. عند قدرة راديو معينة، يبدأ المَواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة جداً، ثم تتحول إلى حالة عازلة مع ارتفاع الحرارة، ثم، وبشكل غير متوقع، تصبح فائقة التوصيل مرة أخرى عند درجة حرارة أعلى قبل أن تتحول أخيراً إلى معدن عادي. بعبارة أخرى، يختفي التوصيل المثالي، ثم يعود، ثم يختفي مرة أخرى مع احترار العينة. يظهر استرجاع مماثل للتيابية الفائقة أيضاً عند تطبيق مجال مغناطيسي تحت شروط مناسبة.

تجمع جسيمات كثيرة تتصرف معاً

لفهم هذا الاسترجاع المحيّر للتيابية الفائقة، يقارن المؤلفون نتائجهم بصورة نظرية مطوّرة لشبكات الوصلات الضعيفة. في هذا الرأي، لا يهم فقط مدى سهولة تدفق التيار بين الحبيبات، بل أيضاً مدى تشبّث الشحنة الكهربائية في مكانها على كل حبيبة. عند درجات حرارة أعلى، يمكن للجسيمات المشحونة المتحركة في الشبكة أن تُخَفّف، أو تُدرّع، التنافر بين الشحنات، مما يقلل فعلياً من العقوبة على نقل الشحنة من حبيبة إلى أخرى. على الرغم من أن درجات الحرارة الأعلى عادةً ما تضر بالتيابية الفائقة، في هذه الشبكة قد تُفضل الحالة التعاونية عن طريق تقليل هذا التأثير القافز. هذا السلوك الجماعي يتجاوز ما يمكن أن تُظهره وصلة ضعيفة منفردة.

لماذا هذا مهم للتكنولوجيا المستقبلية

تُظهر المقاييس والنمذجة معاً أن معدنًا حبيبيًا ذو مظهر بسيط يمكن أن يعمل كساحة قابلة للتحكم للحالات الكمومية المعقدة. بتعديل قدرة الراديو ودرجة الحرارة والمجال المغناطيسي، يمكن تبديل نفس الجهاز بين حالة فائقة التوصيل الجامدة، وحالة عازلة تهيمن عليها التذبذبات الكمومية، وحالة فائقة التوصيل العائدة المدفوعة بتدرّع العديد من الجسيمات. هذه المرونة تشير إلى أن الموصلات الفائقة الحبيبية قد تُستخدم كلبنات بناء لدوائر كمية جديدة وكأنظمة نموذجية لاستكشاف كيف تولد شبكات كبيرة من العناصر الكمومية سلوكاً جماعياً مفاجئاً.

الاستشهاد: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

الكلمات المفتاحية: التيابية الفائقة العائدة, ألمنيوم حبيبي, مصفوفة تقاطعات جوزيفسون, ضبط بتردد راديوي, انتقال طور كمي

اقرأ المزيد على موقع مجموعة البحث: https://daganlab.sites.tau.ac.il/