ALAMOMIN GUGUWA MASU CAJI A CIKIN RUWAN NAU'I-NAU'I MARASA CAJI

A cikin superfluid, ƙwayoyi suna motsi tare a matsayin igiyar kwantum ɗaya; superconductor na nau’i na II yana ɗaukar wutar lantarki ba tare da tsayayya ba. Ka juya na farkon, ko ka sa na biyun cikin filin maganaɗisu, kuma dukansu suna nuna wata alama ta musamman: tsarin guguwa masu ƙayyadadden kwantum (quantized vortices), ƙananan guguwa da kowannensu ke ɗauke da ƙayyadadden adadin juyi da ba ya rabuwa. A cikin ruwan da aka yi da exciton, irin wannan tsari bai samu ba tukuna: exciton ba sa ɗauke da cajin lantarki.

Nau’i-nau’i da ba sa ɗauke da komai

Exciton electron ne da aka ɗaure da rami (hole), gibin da electron da ya ɓace ya bari. Idan aka samar da su da haske, exciton suna rayuwa na ɗan lokaci kaɗan kawai, kuma tunda ba su da caji, yana da wahala a bincike su ta hanyar lantarki. Raba abokan biyu, electron a layi ɗaya da ramuka a wani, yana sa nau’i-nau’in su daɗe sosai kuma yana ba da damar haɗa kowane layi da waya shi kaɗai.

Idan an sanyaya su sosai, irin waɗannan nau’i-nau’i suna dunƙulewa kuma suna raba fage (phase) ɗaya na kwantum — ƙari na bai ɗaya — a duk faɗin ruwan, kamar yadda nau’i-nau’in electron na superconductor ke yi. Akwai alamomin lantarki, amma, a cewar marubutan, tabbataccen shaidar wannan haɗin kai na fage a ko’ina bai samu ba tukuna.

Inda ƙarin cajin zai tafi

Abin da irin wannan ruwa ya kamata ya yi: a cikin filin maganaɗisu mai ƙarfi, ka ƙara wasu ƙarin electron kaɗan, kuma cajinsu ya kamata ya rabu zuwa ɓangarori da ke zama a tsakiyar guguwa da guguwa-akasi (vortices and antivortices), guguwa a cikin fagen da aka raba da ke juyawa ta hanyoyi mabambanta. Yawanci waɗannan suna halaka juna. A nan tsakiyarsu masu caji suna tunkuɗe juna, kuma a 2025 biyu daga cikin marubutan, Bo Zou da Allan MacDonald na Jami’ar Texas a Austin, sun yi hasashen cewa za su kulle cikin siffar saƙar zuma: guguwa a kan wani rukunin wurare, da cajinsu a layin sama, guguwa-akasi a kan ɗayan rukunin, a layin ƙasa.

Ba kamar guguwar superconductor ba, waɗanda ke ɗauke da kwararar maganaɗisu (magnetic flux), waɗannan suna ɗauke da cajin lantarki. Kowane ɗaki na saƙar zuman yana riƙe da caji na asali ɗaya daidai, na electron ɗaya. Don haka yawan cajin da aka ƙara, ƙanƙantar ɗakunan: faɗinsu yana raguwa daidai gwargwado da akasin ƙarin cajin.

Zanen gado biyu na carbon da allura

Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo da abokan aikinsu a ƙungiyar Ali Yazdani a Jami’ar Princeton sun ɗora zanen gado biyu na graphene masu kaurin atom ɗaya da tazarar nanometre 3.2 — kusan kashi uku cikin miliyan na milimita — tare da shamaki na hexagonal boron nitride daga Cibiyar Ƙasa ta Kimiyyar Kayayyaki ta Japan (National Institute for Materials Science), ƙarƙashin filin tesla 9 (tesla ma’aunin ƙarfin filin maganaɗisu ne). A can, makamashin electron yana taruwa zuwa matakai da ake kira matakan Landau (Landau levels). Ƙarfin lantarki (voltage) biyu suna ƙayyade yadda suka cika: ɗaya, daga wata ƙofa (gate) a ƙarƙashin zanen gadon, yana daidaita jimillar caji; ɗayan yana motsa caji tsakanin zanen gadon. Idan zanen gadon tare suka cike cikakken adadin matakai, kowanne ya cika ɓangare kawai, electron a ɗaya yana haɗuwa da rami a ɗayan, suna samar da condensate.

Ƙungiyar ta ɗauki hotonsa da na’urar hangen nesa ta tunnelling mai bincike (scanning tunnelling microscope) a digiri 0.2 sama da sifili cikakke (absolute zero): electron suna tsallakawa tsakanin kaifaffen bakin allura da zanen gado na sama, kuma wutar tana dogara ne ga abin da ke ƙarƙashinsa, har da caji a tsakiyar guguwa.

Tsari da ke matsewa da caji

Da aka ƙara ko aka cire wasu electron kaɗan, taswirorin wuta na wuraren da ba su da lahani masu faɗin kusan nanometre 400 sun nuna ɗigo masu haske da ke cikin tsari. Fourier transform, lissafin da ke mayar da tsarin da ke maimaituwa zuwa ƙololuwa masu kaifi, ya ba da shida: tsari mai daidaito ninki shida.

Yayin da aka ƙara electron, tsarin ya ƙara cunkushewa, tazararsa ta sauka daga kusan nanometre 135 a farko zuwa kusan 60, kusa da lanƙwasar da aka yi hasashe. Ya tashi daga warwatse zuwa tsari mai kyau, sannan ya narke yayin da aka ƙara wasu. Ɗigon suna samar da siffar alwatika maimakon saƙar zuma: bakin allurar yana jin zanen gado na sama, inda guguwa ke ɗauke da caji fiye da guguwa-akasi da ke ƙasa.

Gwajin da lu’ulu’un electron ke faɗuwa

Electron da ke tunkuɗe juna su ma za su iya daskarewa zuwa tsari da kansu, wato lu’ulu’un Wigner (Wigner crystal). Ɗaya a zanen gado na sama zai sami tazarar da cajin wannan zanen gado kaɗai ke ƙayyadewa. Kusa da condensate, wannan cajin da ƙyar yake canzawa, domin zanen gado na ƙasa yana kare na saman daga ƙofar; duk da haka tazarar da aka auna ta canza. Ƙasa da ƙarin cikawa na 0.17 na mataki, hasashen lu’ulu’un Wigner ya kauce wa bayanan a fili.

Gwajin da ya yanke hukunci: tazarar tsarin guguwa ya kamata ta dogara ne ga jimillar ƙarin caji kaɗai, ba ga yadda zanen gadon ke raba shi ba, domin jimillar ce kaɗai ke da alaƙa da fagen da aka raba. Ƙungiyar ta riƙe jimillar a tsaye kuma ta motsa caji tsakanin zanen gadon, tana canza cikar kowane zanen gado har zuwa kashi 30%. Lu’ulu’un Wigner a zanen gado na sama zai canza tazararsa da kusan nanometre 20. Tazarar da aka auna ta tsaya a kusan 60. Bambancin haske na hoton ne kaɗai ya dushe, yayin da caji ya wuce daga guguwa a zanen gado na sama zuwa guguwa-akasi a na ƙasa, ba tare da ya motsa su ba.

Kusa da ƙarin cikawa na 0.17, zanen gado na ƙasa yana daina karɓar caji kuma duk ƙarin electron suna zama a na saman. A can, tazarar tana haɗuwa da ta lu’ulu’un Wigner na yau da kullum a zanen gado na sama: sauyin da ka’idar ta yi tsammani.

Ramuka suna zana siffa iri ɗaya, a juye

Cire electron a maimakon haka ya samar da irin wannan tsari, har ma da tsari mafi kyau, wataƙila domin wannan yanki yana da ƙarancin rashin tsari. Bambancin haskensa a juye yake, kamar yadda ake tsammani idan cajin da ke tsakiya ya canza alama, kuma tazararsa ma tana bin jimillar ƙarin caji kaɗai.

Abin da hoton nanometre 400 zai iya faɗa

A cikin superconductor, tsarin guguwa da ya mamaye hoto yana nuna cewa ruwan yana riƙe da fagensa a aƙalla wannan nisa. A nan, tsarin da ya cike filin gani yana sanya iyakar ƙasa ta kusan nanometre 400 ga isar haɗin kan fagen condensate. Ƙari ga haka, cikar kowane zanen gado ana lissafa ta ne daga ƙarfin lantarki biyun da samfurin lissafin electrostatics maimakon auna ta kai tsaye.

Ƙungiyar tana gabatar da hotunanta a matsayin shaida, kalmar da ke cikin taken ta, ga tsarin da aka yi hasashe da kuma ga haɗin kan fage a cikin superfluid na exciton. Na’urar hangen nesa iri ɗaya yanzu za ta iya bin waɗannan guguwa yayin da suke motsi, suke maƙalewa a kan lahani kuma suke narkewa, a cikin superfluid da aka yi da electron kaɗai.