تأثير الصمام الفائق في مفاصل جوزفسون المصنعة من فوقموصل خَلقي هيكلي

لماذا تهم التيارات الفائقة أحادية الاتجاه

تعتمد الإلكترونيات على الصمامات—مكونات صغيرة تسمح بمرور التيار في اتجاه واحد ولا تسمح به في الاتجاه المعاكس. تصور الآن صمامًا يعمل ليس في المعادن أو أشباه الموصلات العادية، بل في مادة فوقموصلة حيث يتدفق التيار دون مقاومة. مثل هذا «الصمام الفائق» قد يقلل بشكل جذري من خسائر الطاقة في الحوسبة والتقنيات الكمومية. تستكشف هذه الورقة ما إذا كان يمكن استخدام نوع خاص من البلورات، حيث تتشكل ذراتها في نمط لولبي أيسر أو أيمن، لبناء عنصر كهربائي أحادي الاتجاه وخالٍ من الخسارة.

التواء المادة إلى يسار ويمين

يركز الباحثون على مادة تسمى Mo3Al2C، وهي فوقموصل ترتب ذراتها في نمط خلّي أو «ذو يدين»—تمامًا كما اليدان اليمنى واليسرى صورتان مرايا لكن لا يمكن تطابقهما تمامًا. تأتي هذه البلورات في نسختين مرايا: يمنى ويسرى. تشير النظرية والتجارب السابقة على أنظمة خلّية أخرى إلى أن مثل هذا الميل يمكن أن يجعل الإلكترونات المتحركة تفضّل عزمًا مغزليًا أو اتجاهًا معينًا، وهي ظاهرة تعرف باسم الانتقائية المغزلية الناجمة عن الخِلَّية. إذا أمكن استغلال هذا التحيز داخل فوقموصل، فقد يخلق اتجاهية مدمجة للتيار الخالي من المقاومة، وهو جوهر الصمام الفائق.

ضغط البلورات لصنع جهاز فائق

بدلًا من استخدام طبقات رقيقة ذرية يصعب تصنيعها في فوقالموصلات الخِلّية، استخدم الفريق بلورات مفردة كتلية ذات أسطح طبيعية مستوية. ضغطوا بلطف بلورتين معًا بحيث تشكل أسطحهما حاجزًا ضيقًا، كطبقة عازلة رقيقة جدًا بين كتلتين. تعمل منطقة التماس هذه كوصلة جوزفسون—حلقة ضعيفة يمكن لأزواج الإلكترونات أن تنفق عبرها بينما تظل تتصرف كتيار فائق متماسك. بنى المؤلفون نوعين من الأجهزة: أجهزة طبقتاها لهما نفس الاِتجاه (يمين/يمين) وأخرى كان أحد طرفيها يمينًا والطرف الآخر يسارًا (يمين/يسار). ثم برّدوا الأجهزة إلى بضعة درجات فوق الصفر المطلق ووصلوها لقياس مقدار التيار الذي يمكن أن يتدفق قبل انهيار الحالة الفائقة.

ملاحظة استجابة التيار الفائق لدفع مغناطيسي

لتأكيد أن واجهاتهم المضغوطة تتصرف فعلاً كروابط جوزفسون، طبّق الباحثون مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا موازًٍا للوصلة وتابعوا كيف يتغير التيار الفائق الأقصى. في الوصلات المثالية، ينتج عن ذلك نمط تموجي يشبه الحيود الضوئي عند المرور عبر شق. أظهرت أجهزة اليمين/يسار وواحدة من أجهزة اليمين/يمين مثل هذه التذبذبات الشبيهة بفراونهوفر، مما يشير إلى سلوك جوزفسون حقيقي، بينما تصرفت إحدى وصائل اليمين/يمين بشكل مختلف، ربما بسبب توزيع تيار غير منتظم. والأهم أن الفريق قارن مقدار التيار الذي يمكن أن يمر في الاتجاه الموجب (Ic+) مقابل الاتجاه السالب (|Ic−|) أثناء تغيير المجال المغناطيسي وكرر القياسات عدة مرات لبناء إحصاءات موثوقة.

اكتشاف التيار الفائق أحادي الاتجاه

في الأجهزة ذات الإتجاه المختلط، لم تكن Ic+ و|Ic−| متساويتين عند العديد من قيم المجال المغناطيسي: حملت الوصلة تيارًا فائقًا أكبر في اتجاه من الاتجاهين، مع تفاوت يصل إلى حوالي 5 بالمئة. علاوة على ذلك، عندما تغير المجال المغناطيسي، انقلب الاتجاه المفضل للتيار، ما يدل على أن التأثير قابل للضبط ومتين وليس ضوضاء عشوائية. بالمقابل، أظهر جهاز التحكم ذي الاِتجاه المتماثل سلوكًا شبه مطابق للتيار الموجب والسالب، مما يشير إلى غياب تأثير الصمام الداخلي. أظهرت وصلة متماثلة أخرى نمطًا منحرفًا يعزوه المؤلفون إلى مجالات مغناطيسية ناتجة ذاتيًا عادية، وليس اتجاهية مدمجة حقيقية. من خلال المقارنة الدقيقة بين جميع الأجهزة، يجادلون بأن واجهة البلورات ذات الإتجاه المعاكس وحدها تولد تأثير صمام فائق حقيقي تحت مجال مطبق.

ماذا يعني هذا لإلكترونيات المستقبل

لغير المتخصصين، الخلاصة الأساسية هي أن تركيبًا ميكانيكيًا بسيطًا—ضغط بلورتين فوقموصلتين صغيرتين ومتماثلتين مرآيًا معًا—يمكن أن يخلق جهازًا يفضّل التيار الخالي من المقاومة اتجاهًا واحدًا عند تطبيق مجال مغناطيسي صغير. لا يظهر هذا السلوك عندما تشترك البلورتان بنفس اليدية، مما يشير إلى أهمية الخِلّية الهيكلية عند الوصلة. على الرغم من أن التأثير الملحوظ متواضع مقارنة ببعض الصمامات الفائقة الأخرى، فإنه يبرهن عن منصة جديدة: مواد ثلاثية الأبعاد ذات خلّية هيكلية. مع تحكم أفضل في اتجاه البلورة وجودة الواجهة، قد يقود هذا النهج إلى مكونات فائقة التوصيل أكثر كفاءة وتكاملًا توجه التيارات الفائقة كما توجه الصمامات اليوم التيارات الكهربائية العادية.

الاستشهاد: Orban, P.T., Bassen, G., Crites, E.N. et al. The superconducting diode effect in Josephson junctions fabricated from a structurally chiral superconductor. Commun Phys 9, 124 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02564-0

الكلمات المفتاحية: صمام فائق التوصيل, وصلة جوزفسون, فوقموصل خلّي, نقل غير متبادل, اختيارية العزم المغزلي