دليل على الموصلية الفائقة ذات الازدواجية الفردية المدعومة بالمغناطيسية المضادة في معدن ثقيل-فيرميون YbRh2Si2

معدن غريب يتحول إلى موصل فائق خاص

تبدو معظم الموصلات الفائقة غامضة بالفعل: فهي تنقل الكهرباء بلا مقاومة عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة جداً. لكن فصيلاً أندر، يُعرف بالموصلات الفائقة الطوبولوجية، قد يوفر يوماً ما لبنات بناء لتقنيات كمية متينة. في هذه الدراسة، يستكشف الباحثون مركباً معدنياً ثقيلاً غير اعتيادي، YbRh2Si2، مُبرَّداً إلى أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق، ويجدون أدلة على أنه يستضيف نوعاً نادراً من الموصلية الفائقة المرتبط ارتباطاً وثيقاً بمغناطيسيته الداخلية.

لماذا هذا المادّة غير عادية

ينتمي YbRh2Si2 إلى فئة من المواد تُعرف بمعدلات الفيرميون الثقيلة، حيث تتصرف الإلكترونات كما لو أنها أثقل بمئات المرات عن المعتاد بسبب تفاعلات قوية. عند درجات حرارة منخفضة جداً، يطوّر هذا المركب شكلاً رقيقاً من المغناطيسية المضادة، حيث تصطف العزوم الذرية المتجاورة في اتجاهات متعاكسة. أشارت قياسات سابقة إلى أن الموصلية الفائقة تظهر في هذا البيئة الغريبة، لكن طبيعة الاقتران الذي يتيح تياراً بلا مقاومة بقيت غير واضحة، وكانت إشارات الموصلية الفائقة ضعيفة وتعتمد على جودة العيّنة.

الاستماع إلى التيارات الكهربائية عند درجات حرارة فائقة الانخفاض

لكشف ما يحدث، طوّر الفريق طريقة فائقة الحساسية لقياس الاستجابة الكهربائية لبلورات مفردة صغيرة عند درجات حرارة أدنى من 10 ميلي كلفن. استخدموا جهاز التداخل الفائق الكمي الفائق الموصلية، أو SQUID، لاستطلاع المقاومية المعقدة الكهربائية، التي تلتقط كل من المقاومة والتأثيرات الحثية مع تغير الحرارة والمجال المغناطيسي. كشفت هذه القياسات عن حدود حادة حيث تتحول مناطق داخل كل عينة بين سلوك طبيعي وموصل فائق، مما مكن الباحثين من رسم حالات متعددة للموصلية الفائقة كدالة للمجال المغناطيسي المطبق إما داخل مستوَي البلورة أو على طول محور البلورة.

المغناطيسية كمساعد وحارس في نفس الوقت

تُظهر مخططات الطور الناتجة أن الموصلية الفائقة في YbRh2Si2 مستقرة فقط عندما تكون المادة مرتبة مغناطيسياً. عندما يُدمَّر الحالة المضادة الرئيسية، المسماة AFM1، بواسطة مجال مغناطيسي مطبق، تختفي الموصلية الفائقة فجأة أيضاً. عند درجات حرارة أقل حتى، يظهر نمط مغناطيسي ثانٍ يتضمن كل من سبينات إلكترونية ونوية مرتبة في نمط موجي. من اللافت أن ظهور موجة كثافة سبينية كهربائية-نووية يُنتج تعزيزاً مفاجئاً في استجابة الموصلية الفائقة، يظهر كهبوط في الحث الحركي للإلكترونات وارتفاع في مقياس المجال الذي تُدمر عنده الموصلية الفائقة.

دلائل على نوع الأزواج الموصلة

بمتابعة كيف يعتمد درجة الحرارة الحرجة على المجال المغناطيسي، استطاع الباحثون تحديد متى تُقيَّد الموصلية الفائقة بمحاذاة سبينات الإلكترونات، قيد يعرف بحد باولي. بعض مناطق الموصلية الفائقة في العينات تتبع هذا الحد للحقل المطبق داخل مستوى البلورة، بينما أخرى تبقى حية إلى ما بعده بكثير. هذا السلوك الانتقائي يوحي بشدة بأن أزواج كوبر هي في حالة سبين-تريبليت، حيث تتراصف السبينات بدلاً من أن تتعاكس. نمط الاعتماد على المجال يشير بشكل خاص إلى ما يُسمى بالحالة الحلزونية، نوع من الطور الطوبولوجي الموصل فائق الذي لا يتأثر بالمجالات على طول محور البلورة لكنه حساس للمجالات داخل المستوي.

كيف تقوّي موجة مغناطيسية الأزواج

لتفسير التعزيز المفاجئ للموصلية الفائقة عند ظهور الترتيب المغناطيسي الكهربائي-النووي، يقترح المؤلفون أن الحالة الحلزونية للموصلية الفائقة تتزاوج مع نمط مرافق يُدعى موجة كثافة الأزواج. في هذا التصور، تقوم الموجة المغناطيسية بحيود أزواج الإلكترونات، مكونة حالة شريكة ذات تعديل مكاني تخفض طاقة النظام وتعمّق الفجوة الموصلية عملياً. المناطق من البلورة التي تستضيف بالفعل الحالة الحلزونية ترى أنها تتعزز، بينما مناطق أخرى تُدفع إلى الموصلية الفائقة بالضبط عند درجة الحرارة التي ينشأ عندها الترتيب الكهربائي-النووي.

ماذا يعني هذا لمواد كمية مستقبلية

مجتمعةً، توفر التجارب دليلاً قويًا على أن YbRh2Si2 يستضيف موصلية فائقة ذات طارح فردي (odd-parity) وازدواج سبين-تريبليت تُحكم وجودها وقوتها بنوعين متداخِلين من الترتيب المغناطيسي المضاد. يتناسب أحد أوجه الطور الموصل الفائق مع بروفايل الحالة الحلزونية الطوبولوجية، قريبة من أطوار دُرست طويلاً في الهيليوم-3 فوق السائل الفائق. وعلى الرغم من أن الموصلية الفائقة هشة حالياً وغير متجانسة مكانياً، إلا أن المادة توفر منصة نادرة يمكن ضبطها حيث يمكن دراسة المغناطيسية والاقتران الطوبولوجي جنباً إلى جنب، مع احتمال أن يؤدي تحكم أفضل في جودة العينات يوماً ما إلى جعلها مضيفاً عملياً لأطوار كمية غريبة.

الاستشهاد: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh₂Si₂. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x

الكلمات المفتاحية: الموصلية الفائقة الطوبولوجية, ازدواج سبين-تريبليت, معدن فيرميون ثقيل, مغناطيسية مضادة, موجة كثافة الأزواج