يمكن للإلكترونات “المظلمة” أن تفسر الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة

يمكن للإلكترونات "المظلمة" الموجودة داخل المواد الصلبة أن تساعدنا في معرفة المزيد عن سلوك الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية وربما حل ألغاز أخرى في علم المواد. تم نشر الورقة التي تحتوي على هذا التفسير في Nature Physics .

معظم خصائص المادة، مثل مدى سهولة توصيل الكهرباء أو عكس الضوء، تمليها حركة إلكتروناتها. إحدى الطرق لتحديد هذه الخصائص هي التحليل الطيفي: حيث تقوم بتسليط الضوء على مادة وتحليل طيف الضوء المرتد للكشف عن الترددات التي تم امتصاصها أو انعكاسها.

لكن التحليل الطيفي لا يستطيع أن يحكي القصة بأكملها . بالنسبة لبعض الذرات والجزيئات البسيطة، لا تظهر جميع الإلكترونات في الطيف، على الرغم من أنها لا تزال تؤثر على خواصها الفيزيائية . وجد الباحثون أن هذه "الحالات المظلمة" المزعومة تحدث فقط عندما يكون للإلكترونات طاقات مختلفة بشكل واضح، مما يسمح لها بالتداخل وإلغاء إشارة بعضها البعض، ولكن في الحالة الصلبة، حيث يوجد العديد من الإلكترونات المختلفة التي لا يمكن فصلها بسهولة. وبهذه الطريقة، كان يُعتقد أن هذه الحالات المظلمة غير موجودة.

الآن، أظهر كيون سو كيم من جامعة يونسي في كوريا الجنوبية وزملاؤه أن الأمر ليس كذلك، حيث اكتشفوا هذه الإلكترونات المخفية في مواد أكثر تعقيدًا، بما في ذلك بيروفسكايت الرصاص، وهي بلورة تستخدم كخلية شمسية، و موصل فائق لدرجة الحرارة العالية من البزموت والنحاس. "لقد حدد كيم وفريقه الحالات المظلمة لأول مرة

في بلورة تسمى ديسيلينيد البلاديوم، والتي اختاروها لبنيتها الفريدة. تتميز البلورة بنمطين متكررين من الذرات، تتكون من ذرة البلاديوم المحاطة بأربع ذرات من السيلينيوم، والتي تدور قليلاً بالنسبة لبعضها البعض في جميع أنحاء المادة. عندما قاموا بقياس هذه البلورة باستخدام التحليل الطيفي، وجدوا فجوات مفقودة في الطيف الناتج لم تتنبأ بها النظريات القياسية، مما يشير إلى وجود الحالات المظلمة.

وجد الفريق أن النمطين المتكررين للذرات يتسببان في انفصال إلكترونات العناصر المختلفة بدرجة كافية حتى تتمكن من التداخل. طور الباحثون نموذجًا للتنبؤ بطاقات الإلكترون التي تتضمن هذا التأثير، ثم استخدموه للتنبؤ بأنه يجب أن يظهر أيضًا في مواد ذات بنية مماثلة، مثل البيروفسكايت الرصاص والموصل الفائق من النحاس والبزموت.

يمكن لهذه الإلكترونات المخفية أن تساعد في حل جدل طويل الأمد حول سبب ظهور بعض المواد كموصلات فائقة، مما يسمح للكهرباء بالتدفق دون مقاومة عند درجات حرارة أعلى بكثير مما تتنبأ به النظرية القياسية .

كان أحد الحلول الممكنة هو الطاقات المفقودة الغامضة للإلكترونات الموجودة في الموصلات الفائقة، ولكن لم يكن هناك سبب واضح. يقول كيم: الآن بعد أن أصبح من الممكن تفسيرها، سنكون قادرين على تطوير نماذج أفضل يمكن استخدامها للعثور على مواد جديدة فائقة التوصيل.

ونظرًا لأن التأثير عام تمامًا، فإنه يمكن أن يؤثر على نطاق واسع من خصائص المواد التي لم يلاحظها الباحثون من قبل، كما يقول سيفيس كاتشو من Diamond Light Source في أوكسفوردشاير بالمملكة المتحدة. يعد العثور على مستويات الطاقة المفقودة أمرًا شائعًا نسبيًا، ولكن من الصعب جدًا تفسير السبب، كما يقول كاتشو: إن تفسير كيم وفريقه للشبكات المتداخلة يمكن أن يساعد في سد هذه الفجوة.

مقالة الإلكترونات "المظلمة" يمكن أن تفسر الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة تأتي من السيناريوهات الاقتصادية .