في مختبر جامعة كورنيل، عثر العلماء مصادفةً على مادة تتصرف وكأن عالمين متعارضين من الإلكترونات يتعايشان فيها في الوقت نفسه. الحديث عن غرافين سداسي الطبقات معيني السطوح — ست طبقات من الكربون مرصوفة بإزاحة في نمط متكرر. وبدلًا من دراسة الطبقات الملتوية، حصل الباحثون على رزمة مستوية، وهي بالتحديد التي كشفت عن أطوار كمية غير متوقعة.
طالما عُرف الغرافين بمتانته وموصليته، لكن عندما تُرصّ الطبقات على نحو معيّن، تبدأ الإلكترونات بالتفاعل فيما بينها بقوة أكبر بكثير. وفي النسخة السداسية الطبقات، عند كثافة معيّنة لحاملات الشحنة ومجال كهربائي خارجي، ينشأ نمط تتعايش فيه الإلكترونات والثقوب وتترابط بقوة. وهذا يشبه حشدًا من الناس يؤثر فيه كل فرد على حركة جاره، بدلًا من أن يمضي كلٌّ في شأنه فحسب.
أظهرت القياسات اختفاء المقاومة الكهربائية — وهي علامة على الموصلية الفائقة — وظاهرة هول الشاذة التي تدل على مغناطيسية مدارية. وقد نشأت حالتان فائقتا الموصلية بالتحديد حيث تتقاطع الإلكترونات والثقوب. ويبدو أن تفاعلها يؤدي دورًا محوريًا في تشكّل هذه الأطوار، وهو ما لم يُلاحظ في الغرافين الخماسي الطبقات.
وُضع الجهاز بين طبقات من نتريد البورون وحُكِم بالمجال عبر بوابات. وبتغيير درجة الحرارة والمجال المغناطيسي وتركيز الحاملات، بنى الفريق مخططًا طوريًا مفصّلًا. ويظهر عليه بوضوح عوازل ناتجة عن التفاعلات، ومناطق للموصلية الفائقة، ونوعان من المغناطيسية المدارية. وقد نُشرت النتائج في Nature Physics.
الاكتشاف مهم ليس للفيزياء الأساسية وحدها. ففهم كيفية توليد تفاعل الإلكترونات والثقوب للموصلية الفائقة دون الآليات التقليدية قد يقرّب إنشاء مواد تعمل عند درجات حرارة أعلى. وستفيد هذه المواد في الحواسيب الكمية وخطوط النقل الموفرة للطاقة والمستشعرات الجديدة.
يعكف الباحثون الآن على التعمق في طبيعة المغناطيسية المدارية. وهم يختبرون فرضية أن بعض الحاملات تشكّل بنية شبيهة بالبلورة، بينما يبقى الباقي في حالة شبيهة بالسائل. وهذه الأسئلة تتجاوز نطاق العمل الحالي، لكن الواضح منذ الآن أن الغرافين السداسي الطبقات أصبح ساحة جديدة لدراسة الترابطات الكمية.
الاكتشاف العارض يذكّرنا مرة أخرى بأنه في عالم المواد ثنائية الأبعاد يكفي تغيير عدد الطبقات أو ترتيبها المتبادل — لتتحول الخصائص المألوفة إلى شيء جديد كليًا.
