المجال المغناطيسي بقوة 8 تسلا أقوى 200 مرة من مجال الأرض. عند هذا المجال، لا تنجو الموصلية الفائقة في الغشاء الرقيق من ثنائي تيلوريد البالاديوم فحسب، بل تظل قائمة حتى درجة حرارة 20 ميلي كلفن، وهي أبرد بمئة مرة من الفضاء الكوني. للمقارنة: في الغشاء السميك من نفس المادة، يكون المجال الحرج أصغر بـ 80 مرة. السر يكمن في السماكة. فقط 19 نانومترًا، والمشبك الكمومي يعيد كتابة قواعد اللعبة.
الموصلية الفائقة هي رقصة لأزواج الإلكترونات التي تتحرك دون مقاومة. لكن المجال المغناطيسي يكسر هذه الرقصة بطريقتين. الأولى: التأثير المداري، حيث يلف المجال الإلكترونات في دوامات، مثل الدوامات في النهر. الثانية: تأثير السبين، الذي يؤثر على العزم المغناطيسي الداخلي للإلكترون، وكأنه يجعل الشريكين ينظران في اتجاهين مختلفين. في الأغشية الرقيقة، عندما يكون المجال في المستوى، يختفي المساهمة المدارية تقريبًا، ويظهر حد باولي، وهو الحد الذي عنده يكسر انشقاق السبين الأزواج. الصيغة الكلاسيكية تفترض أن معامل الجي (وهو رقم يوضح قوة تفاعل السبين مع المجال) يساوي 2. لكن في PdTe2، كما اتضح، يتغير مع السماكة.
قام المجربون بزراعة أغشية PdTe2 بسماكات مختلفة، من 19 إلى 50 نانومترًا، باستخدام طريقة تيلورة البالاديوم. ثم، في المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية، قاموا بتبريد العينات إلى 20 ميلي كلفن وقياس المقاومة في مجال مغناطيسي يصل إلى 8 تسلا. كانت النتيجة غير متوقعة: ارتفع المجال الحرج من 0.1 إلى 8 تسلا، أي بمعامل 27، بينما لم تتغير درجة حرارة الانتقال الفائق تقريبًا. أظهر التحليل باستخدام المعادلة الذاتية التوافق لفجوة الطاقة أن معامل الجي الفعال يزداد مع السماكة. في الأغشية الرقيقة، يزيد الحصر الكمومي الفجوة بين النطاقات الفرعية للطاقة، ويقل مساهمة النطاقات الأعلى في معامل الجي. هكذا تضغط الملزمة ذات المقياس النانومتري على قابلية السبين المغناطيسية.
هذا الاكتشاف ليس مجرد فضول مخبري. إنه يوفر أداة جديدة لضبط الأجهزة فائقة التوصيل. إذا كنت بحاجة إلى موصل فائق يعمل في مجال مغناطيسي قوي، يمكنك ببساطة جعله أرق. علاوة على ذلك، بالنسبة للأغشية الثلاثة الأكثر رقة، يتوقف النموذج عن وصف البيانات تحت 100 ميلي كلفن، وربما يظهر هناك زواج غير تقليدي، مثل زواج ثلاثي. هذا بالفعل جسر نحو الموصلات الفائقة الطوبولوجية، حيث تكون خصائص السبين حاسمة للحوسبة الكمومية.
المشبك الكمومي عمل. سماكة الغشاء، 19 نانومترًا، وهي أنحف بـ 500 مرة من شعرة الإنسان، أعادت كتابة حد باولي. والآن، بعد أن توقف المجال المغناطيسي البالغ 8 تسلا عن كونه حكمًا بالإعدام على الموصلية الفائقة، يُفتح الطريق نحو مواد ذات خصائص قابلة للبرمجة. يبقى أن نفهم ما يختبئ في الاختلاف عند درجات الحرارة المنخفضة بين النظرية والتجربة، وهل سنجد هناك مفتاحًا لنوع جديد من الموصلية الفائقة.
المجال 8 تسلا الذي تحقق لفيلم 19 نانومتر أقوى بحوالي 200 مرة من المجال المغناطيسي للأرض. ومع ذلك، تبقى الموصلية الفائقة عند درجة حرارة 20 ملي كلفن فقط، وهي أبرد بـ 100 مرة من الفضاء الخارجي.
فكرة التحكم في خصائص المواد من خلال الحجم تذكرنا بمفهوم "المادة الذكية" من الخيال العلمي، حيث تُبرمج الهياكل النانوية للحصول على الخصائص المطلوبة. في رواية "العصر الماسي" لنيل ستيفنسون، تسمح تقنية النانو بإنشاء مواد بخصائص محددة، وهو ما يشبه ضبط الموصلية الفائقة بسماكة الفيلم.