أجرى العلماء في جامعة فورتسبورغ والمعهد الوطني الألماني للمترولوجيا (PTB) تجربة تحقق نوعًا جديدًا من المعيار الكمي للمقاومة. إنه يعتمد على تأثير القاعة الشاذة الكمومية.
يعد القياس الدقيق للمقاومة الكهربائية أمرًا ضروريًا في الإنتاج الصناعي أو الإلكترونيات – على سبيل المثال، في تصنيع أجهزة الاستشعار عالية التقنية والرقائق الدقيقة وأجهزة التحكم في الطيران. يوضح البروفيسور تشارلز جولد، عالم الفيزياء في معهد العوازل الطوبولوجية بجامعة فورتسبورغ (JMU): “إن القياسات الدقيقة للغاية ضرورية هنا، حيث أن أصغر الانحرافات يمكن أن تؤثر بشكل كبير على هذه الأنظمة المعقدة”.
قام العالم الآن ولأول مرة بتطبيق ما يسمى بمعيار المقاومة الكمومية بشكل تجريبي والذي يمكن أن يعمل بدون مجال مغناطيسي مطبق خارجيًا. يقول غولد: “في الفيزياء، تُستخدم المعايير كنقاط مرجعية ثابتة للقياس الدقيق للكميات الفيزيائية ومعايرة أدوات القياس”. “يعمل المعيار الكمي على أساس المبادئ الثابتة لميكانيكا الكم، مما يجعله مستقرًا بشكل غير عادي.”
كيف يعمل المعيار
قد يتذكر الكثير من الناس تأثير هول الكلاسيكي من دروس الفيزياء: عندما يتدفق تيار عبر موصل ويتعرض لمجال مغناطيسي، يتم إنشاء جهد كهربائي – ما يسمى بجهد هول. تقسيم هذا الجهد على التيار ينتج مقاومة هول. ويزداد مع تقوية المجال المغناطيسي. في الموصلات الرقيقة للغاية التي يقل سمكها عن بضعة نانومترات (للمقارنة: يبلغ سمك شعرة الإنسان حوالي 100000 نانومتر) ومع المجالات المغناطيسية القوية جدًا، لم تعد المقاومة تزداد بشكل مستمر، ولكنها تصل دائمًا إلى نفس القيم الثابتة (خطوات منفصلة لها قيم عالمية، وهي مستقلة عن أي خصائص للجهاز). يُعرف هذا باسم تأثير قاعة الكم (QHE). حقيقة أن المقاومة في QHE تأخذ قيمًا عالمية تجعلها الأساس المثالي لتحديد معيار المقاومة.
الميزة الخاصة لتأثير هول الكمي الشاذ (QAHE) هي أنه يسمح بوجود تأثير هول الكمومي عند مجال مغناطيسي صفر. “إن العملية في غياب أي مجال مغناطيسي خارجي لا تبسط التجربة فحسب، بل تعطي أيضًا ميزة عندما يتعلق الأمر بتحديد كمية فيزيائية أخرى: الكيلوجرام. ولتعريف الكيلوجرام، يتعين على المرء قياس المقاومة الكهربائية ومعايير الجهد “في الوقت نفسه”، يقول غولد “لكن قياس معيار الجهد لا يعمل إلا بدون مجال مغناطيسي، لذا فإن QAHE مثالي لهذا الغرض”.
حتى الآن، كانت قياسات QAHE عند مستوى صفر من المجال المغناطيسي الخارجي تفتقر إلى الدقة التي تتطلبها التطبيقات الحديثة في علم القياس الكمي. تضع القياسات الجديدة لأول مرة معيار QAHE الخالي من المجال المغناطيسي على قدم المساواة مع معايير المقاومة التقليدية القائمة على QHE، للوصول إلى عتبات الدقة اللازمة.
خطط أخرى
وحتى الآن، يظل تشغيل معيار المقاومة الكمومية دون مجال مغناطيسي خارجي يقتصر على درجات حرارة منخفضة للغاية وتيارات منخفضة. ومن أجل جعل المعيار قابلاً للاستخدام تجاريًا في المستقبل، على سبيل المثال في الصناعة، تحتاج التجربة إلى مزيد من التحسين. لذلك، يواصل فريق Gould’s Würzburg العمل لتحقيق هذه الغاية مع Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) في براونشفايغ، ألمانيا، ومع باحثين دوليين كجزء من اتحاد القياس الأوروبي QuAHMET.
البحث
كتلة التميز ct.qmat
ويشارك فريق البحث أيضًا في مجموعة التميز ct.qmat – التعقيد والطوبولوجيا في المادة الكمومية، والتي تديرها بشكل مشترك جامعة فورتسبورغ (JMU) والجامعة التقنية في دريسدن منذ عام 2019. أكثر من 300 عالم من أكثر من تدرس ثلاثون دولة وأربع قارات المواد الكمومية الطوبولوجية التي تكشف عن ظواهر مذهلة في ظل ظروف قاسية مثل درجات الحرارة المنخفضة للغاية أو الضغط العالي أو المجالات المغناطيسية القوية. يتم تمويل ct.qmat من خلال استراتيجية التميز الألمانية للحكومة الفيدرالية وحكومات الولايات، وهي مجموعة التميز الوحيدة في ألمانيا التي يقع مقرها في ولايتين فيدراليتين مختلفتين.
حول الدراسة
معيار كمي للمجال المغناطيسي صفر للمقاومة عند المستوى 10-9. DK Patel، KM Fijalkowski، M. Kruskopf، N. Liu، M. Götz، E. Pesel، M. Jaime، M. Klement، S. Schreyeck، K. Brunner، C. Gould، LW Molenkamp، and H. Scherer. دوى: 10.1038/s41928’024 -01295-ث
