نظرة جديدة إلى “المعادن الغريبة”

منذ سنوات، تم تطوير طريق اصطناع (تخليق) Synthesis Method جديدة في TU Wien (جامعة فيينا التكنولوجية Vienna University of Technology) في فيينا بالنمسا، لكشف لأسرار “المعادن الغريبة Strange Metals”. والآن تم انجاز اختراق في هذا المجال.

تسمح الموصلات أو النواقل الفائقة Superconductors، للتيار الكهربائي Electrical Current بالتدفق دون أية مقاومة Resistance، ولكن فقط تحت درجة حرارة حرجة Critical Temperature معينة. فكثير من المواد يجب أن تبرد إلى درجة حرارة قريب من الصفر المطلق Absolute Zero، بينما بعض المواد تحافظ على خواص الموصل الفائق إلى درجة حرارة أعلى بكثير. وإن كيفية عمل هذا الموصل الفائق في درجة الحرارة العالية، وإمكانية أن تطور مواد جديدة تكون نواقل فائقة حتى عند درجة حرارة عادية، ما تزال واحدة من الأسرار الكبرى للفيزياء الحديثة Modern Physics.


إن المفتاح في النجاح قد يكون البحث على “المعادن الغريبة”. فهذه مواد خاصة لها مقاومة كهربائية تظهر سلوكاً حرارياً غير معتاد جداً. وهذه الظاهرة Phenomenon ترتبط بشكل لصيق بالناقلية الفائقة Superconductivity. وتعرض عدة أنواع من النواقل الفائقة في درجات مرتفعة هذا السلوك “للمعادن الغريبة”.

هناك الآن اختراق كبير Major Breakthrough: فقد طور فريق أبحاث من جامعة فيينا التكنولوجية وجامعة رايس Rice University في هيوستون بتكساس عملية جديدة تسمح بإنتاج طبقات رقيقة جداً Extremely Thin Layer من هذه المواد وتحليلها بعد ذلك ضوئياً Optically. وبهذه الطريقة، تم الحصول على بيانات مهمة حول هذه المواد التي حصل عليها، وهو أمر لم يكن من الممكن قياسه بطريقة أخرى. وقد يقود هذا إلى تطور مواد أفضل، وإلى نظريات Theories جديدة حول الناقلية الفائقة في درجات حرارة مرتفعة.

المعادن الغريبة كمفتاح للناقلية الفائقة:

“قدمت جائزة نوبل في الفيزياء Nobel Prize in Physics في عام 1987م من أجل اكتشاف الناقلية الفائقة في درجات حرارة مرتفعة، لكن حتى الآن لا يزال فهم هذه الظاهرة ضعيفاً” بحسب البروفيسور سيلك بوهلر-باشين Silke Bühler-Paschen من معهد فيزياء الحالة الصلبة في جامعة فيينا التكنولوجية.

“على كل حال، نعرف أن هذه المعادن الغريبة ترتبط بشكل لصيق بصنف مهم تكنولوجياً من النواقل الفائقة”. فوق هذه الدرجة الحرجة، تظهر النواقل الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة علاقة بين درجة الحرارة والمقاومة، تختلف تماماً عن العلاقة في المعادن العادية. “فبعكس المعادن البسيطة مثل النحاس Copper والذهب Gold، لا يظهر أن المقاومة الكهربائية Electrical Resistance في المعادن الغريبة سببها الحركة الحرارية للذرات، ولكن بسبب تقلبات كمية Quantum Fluctuations”.

لكي يتم التأكد من هذه الفرضية، وإيجاد المزيد عن طبيعة التقلبات الكمية، يجب البحث عن اعتماد الحرارة على المقاومة، وأيضاً اعتماد التواتر Frequency Dependence. وأفضل طريقة لذلك هي تسليط الإشعاع على المادة بالضوء في مجال التواتر المناسب.

اختيرت مادة مصنوعة من الايتيربيوم Ytterbium والروديوم Rhodium والسيليسيوم Silicon بالتركيب (YbRh2Si2)، معروفة بشكل خاص بأنها تسلك سلوك معدن غريب، لإجراء البحث. ومن أجل هذه الدراسة، ينبغي إشعاعها في مجال التيراهرتز Terahertz (10 بأس 12 هرتز).

يقول سيلكي بوهلر-باشن “عند هذه النقطة، أصبحت الأمور تكنولوجياً صعبة. فالقياسات بدقة عالية High-Precision Measurements هي ممكنة فقط عند الانتقال Transmission، أي إذا تم تخلل المادة بإشعاع التيراهرتز. وفي حين أن عزل المواد كهربائياً Electrically Insulating Materials يسمح عادة لإشعاع التيرا هرتز بالمرور، فإن المعادن تعكس Reflect وتمتص Absorb بشدة هذا النوع من الإشعاع. وفقط، إذا تم توفير طبقة رقيقة جداً Extremely Thin Layer من المادة، تسمح لإشعاع التيراهرتز بالمرور، وعندها يمكن بالتالي إجراء قياسات دقيقة”.

تطوير عملية تصنيع جديدة:

في غرفة مخبرية نظيفة Clean Room Laboratories في معهد فينا (TU Wien)، تم تطوير عملية تنضيد Epitaxy Process حزم جزيئات معقدة Complex Molecular Beam جديدة، لإنتاج طبقات رقيقة من هذه المادة. ويقول ماكسويل أندروز Maxwell Andrews من معهد إلكترونيات الحالة الصلبة في فيينا “تم تبخير الإيتيربيوم والروديوم والسيليسيوم بالنسب الصحيحة بالضبط. وذرة فذرة بدأت المواد ترتطم على مادة. وإذا كانت جميع المعلمات موضوعة بشكل صحيح، فإن المادة YbRh2Si2 ستنمو في طبقات ذرية. وباختيار المدة الصحيحة لعملية النمو، يمكنك التوصل بالضبط إلى ثخانة الطبقة المطلوبة”.

أما لوكاس بروشاسكا Lukas Prochska أحد طلاب الدكتوراه الرئيسيين الثلاثة غي فريق البحث فقال “لقد كان الاختراق الحاسم في البحث هو إيجاد مادة مناسبة تماماً لتطبيق الطبقات الرقيقة عليها، وهي معدن الجرمانيوم Germanium. فالبنية البلورية Crystal Structure للجرمانيوم تتناسب هندسياً Geometrically بشكل تام لانتظام ذرات الإيتيربيوم. وهذا يسمح لنا بتنمية أغشية Films من نوعية ممتازة”.

فهم حركة حوامل الشحنات:

قام طالب الدكتوراه كزينوي لي Xinwei Li من مجموعة كونو Kono في جامعة رايس، بإنجاز القياسات العالية الدقة تيراهرتز الصعبة على هذه الأغشية. وقد لعب العالم النظري في جامعة رايس كيمياو سيQimiao Si دوراً كبيراً، معطياً برهاناً جديداً قاطعاً ” بأن فرضيتنا عن تقلبات الشحنة عند الكم الحرج Quantum-Critical Charge Fluctuations، أنها تلعب دوراً هاماً قد تم الآن تأكيده”، بحسب سيلكي بوهلر-باشن. ”

” أصبح لدينا هنا دورة كبيرة: في عام 2004، كنا قادرين على رؤية أن سلوك المعدن الغريب في هذه المادة يترافق بتغير مفاجئ في تركيز حامل الشحنة. في ذلك الوقت، ميزنا في ذلك الوقت كيمياو سي وأنا أن هناك حاجة إلى قياسات حركية Dynamical Measurements، لكن التكنولوجيا لتحقيق ذلك لم تكن متوفرة. والآن أصبحنا أخيراً قادرين على فحص وفهم هذه العملية”.

تبين النتائج الحديثة كيف نصف هذه الأفعال غير المعتادة للمواد. “وأفكارنا الجديدة يمكن أيضاً أن تنقل إلى أنواع أخرى من النواقل الفائقة عالية درجة الحرارة. ونأمل أن هذا سيقود إلى نظرية جديدة عن الناقلية الفائقة عالية درجة الحرارة، وإلى تصميم نواقل فائقة أفضل لها درجات حرارة حرجة أعلى، وهذا سيكون نجاحاً تكنولوجياً هائلاً”.