موصلية فائقة دون ضغط: فجوة في النيكلات سريع
ملعب مكتظ: الجماهير تتحرك بعشوائية، مسببة زحامًا ومقاومة. هكذا تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي. في الموصلية الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك بشكل متزامن — مثل متفرجين يمسكون بأيدي بعضهم ويغادرون المدرجات بهدوء، دون فقدان للطاقة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذا النظام يتطلب برودة شديدة ومواد خاصة مثل الكوبرات. مؤخرًا، وُجدت الموصلية الفائقة في النيكلات — مركبات النيكل المشابهة في بنيتها لكعكة طبقات — لكنها تطلبت ضغطًا مرتفعًا. الآن، زرع الباحثون غشاءً رقيقًا من النيكلات (La,Pr)₃Ni₂O₇ على ركيزة من SrLaAlO₄ وحققوا الموصلية الفائقة عند الضغط الجوي العادي.
المجهر النفقي الماسح — جهاز يتحسس السطح بإبرة حادة للغاية، ويرسم خريطة للحالات الإلكترونية — أتاح النظر إلى قلب الظاهرة. عند درجة حرارة أقل من 40 كلفن (ناقص 233 درجة مئوية)، ظهرت في طيف الإلكترونات فجوة مميزة على شكل حرف U بقاع مسطح — انخفاض في الطاقة دون كثافة حالات متبقية. في حشد الجماهير، تشكل فجأة ممر فارغ تنزلق عبره أزواج الإلكترونات دون عوائق. شكل الفجوة يُظهر أن الاقتران يحدث بدون عقد — الفجوة الطاقية متساوية في جميع الاتجاهات، مثل ساحة دائرية خالية من العوائق.
عند التسخين، امتلأت الفجوة على شكل حرف U تدريجيًا وتحولت إلى شكل حرف V — عادت الإلكترونات تدريجيًا إلى الحالة العشوائية. مجال مغناطيسي بقوة 14 تسلا (أقوى بحوالي 300 ألف مرة من مغناطيس الثلاجة) جعل الفجوة تضيق، مؤكدًا طبيعتها فائقة التوصيل. قياسات المقاومة على نفس العينة أظهرت مقاومة صفرية تحت 20 كلفن، وبداية الانتقال فوق 40 كلفن. وهكذا، ولأول مرة، أمكن رؤية الفجوة الطاقية مباشرة في موصل فائق من النيكلات دون ضغط مرتفع. وتبين أنها متناظرة ومستقرة بشكل مدهش. هذا الاكتشاف يسلط الضوء على طبيعة الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية ويلمح إلى إمكانية الموصلية الفائقة عند درجات حرارة قريبة من النيتروجين السائل في النيكلات تحت الظروف العادية.
الملخص الأصلي
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2605.15703
The discovery of high transition temperature (high-Tc) superconductivity in Ruddlesden-Popper (R-P) bilayer nickelates under high pressure has stimulated extensive work to understand the underlying mechanism and search for superconductors with higher Tc. The recent realization of superconductivity in R-P bilayer nickelate thin films with onset Tc above 40 K at ambient-pressure enables the use of a wide array of powerful experimental tools to investigate the unconventional high-Tc superconductivity in bilayer nickelates. Here, using ultra-low temperature scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/S) and electrical transport study, we report the first successful observation of an energy-symmetric, flat-bottom U-shaped gap with zero residual density of states around the Fermi level in the high-Tc nickelate (La,Pr)3Ni2O7 thin film grown on SrLaAlO4 substrate. Before and after STM/S studies, transport measurements on the same sample reveal consistent superconducting behaviors showing zero resistance, with an onset Tc above 40 K and zero resistance Tc above 20 K. The tunneling spectra exhibit highly unconventional temperature evolution, characterized by a rapid filling of the U-shaped energy gap to a V-shaped gap as the temperature increases. Furthermore, the U-shaped energy gap is reduced under a c-axis magnetic field of 14 T. The energy-symmetric U-shaped gap, taken together with its dependence on magnetic field and temperature, is consistent with the behavior of a superconducting gap, suggesting a nodeless gap function at ultra-low temperatures. Our findings shed new lights on the nature of high-Tc superconductivity and provide an encouraging and thought-provoking hint for a local superconductivity with Tc above liquid nitrogen boiling temperature in nickelate superconductors at ambient or zero pressure.
يمكن للمجهر النفقي الماسح أن «يرى» الذرات المفردة: إبرته حادة جدًا لدرجة أن طرفها يحتوي على ذرة واحدة فقط، ويتغير التيار النفقي بين الإبرة والعينة عند مروره فوق كل ذرة على السطح.
في رواية آرثر كلارك «ينابيع الجنة»، تحمل الكابلات فائقة التوصيل مصعدًا فضائيًا — إذا أصبحت النيكلات موصلة فائقة في درجة حرارة الغرفة، فإن مثل هذا البناء لن يعد خيالًا علميًا.