DALILI ZA VIMBUNGA VYENYE CHAJI KATIKA KIOWEVU CHA JOZI ZISIZO NA CHAJI

Katika kiowevu kikuu (superfluid), chembe husonga pamoja kama wimbi moja la kikwantamu; kipitishaji-kikuu cha aina ya II (type-II superconductor) hupitisha mkondo bila ukinzani. Kizungushe cha kwanza, au kiweke cha pili katika uga wa sumaku, na vyote viwili huonyesha sifa bainifu: kimiani cha vimbunga vilivyokwantishwa (quantized vortices), vimbunga vidogo sana ambavyo kila kimoja hubeba kiasi maalum, kisichogawanyika, cha mzunguko. Katika kiowevu kilichoundwa kwa eksitoni, kimiani kama hicho kilikuwa kimebaki nje ya kufikiwa: eksitoni hazina chaji ya umeme.

Jozi zisizobeba chochote

Eksitoni (exciton) ni elektroni iliyofungamana na shimo, pengo linaloachwa na elektroni iliyokosekana. Zikitengenezwa kwa mwanga, eksitoni huishi kwa muda mfupi tu, na kwa kuwa hazina chaji, ni vigumu kuzichunguza kwa umeme. Kuwatenganisha wenzi hao, elektroni katika tabaka moja na mashimo katika jingine, hufanya jozi kudumu muda mrefu zaidi na huruhusu kila tabaka kuunganishwa na nyaya peke yake.

Zikipozwa vya kutosha, jozi kama hizo hujikusanya na kushiriki fazi (phase) moja ya kikwantamu — mdundo wa pamoja — katika kiowevu kizima, kama jozi za elektroni za kipitishaji-kikuu. Ishara za kiumeme zilikuwepo, lakini, waandishi wanaandika, ushahidi usio na utata wa mshikamano huu wa fazi katika kiowevu kizima ulikuwa haujapatikana.

Chaji ya ziada ingekwenda wapi

Kiowevu kama hicho kinapaswa kufanya nini: katika uga mkali wa sumaku, ongeza elektroni chache za ziada, na chaji yao inapaswa kugawanyika kuwa sehemu zinazotulia katika viini vya vimbunga na vimbunga-kinyume (vortices and antivortices), vimbunga katika fazi ya pamoja vinavyozunguka pande zinazopingana. Kwa kawaida hivi huangamizana. Hapa viini vyake vyenye chaji husukumana, na mwaka 2025 waandishi wawili kati yao, Bo Zou na Allan MacDonald wa University of Texas at Austin, walitabiri kwamba vingejifunga katika umbo la sega la nyuki: vimbunga kwenye seti moja ya nafasi, chaji yao ikiwa katika tabaka la juu, vimbunga-kinyume kwenye seti nyingine, katika tabaka la chini.

Tofauti na vimbunga vya kipitishaji-kikuu, vinavyobeba fluksi ya sumaku, hivi hubeba chaji ya umeme. Kila seli ya sega hilo hushikilia chaji ya msingi moja hasa, ile ya elektroni moja. Kwa hiyo kadiri chaji zaidi inavyoongezwa, ndivyo seli zinavyokuwa ndogo zaidi: eneo lake hupungua kwa uwiano kinyume na chaji ya ziada.

Tabaka mbili za kaboni na sindano

Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo na wenzao katika kikundi cha Ali Yazdani huko Princeton University waliweka tabaka mbili za grafini zenye unene wa atomi moja juu ya nyingine zikiwa zimeachana kwa nanomita 3.2 — takriban milioni tatu za milimita — pamoja na kizuizi cha boroni naitraidi ya pembe sita (hexagonal boron nitride) kutoka National Institute for Materials Science ya Japani, chini ya uga wa tesla 9 (tesla ni kipimo cha nguvu ya uga wa sumaku). Hapo, nishati za elektroni hujikusanya katika ngazi ziitwazo ngazi za Landau (Landau levels). Volteji mbili huamua jinsi zilivyojaa: moja, kutoka lango lililo chini ya tabaka hizo, hurekebisha chaji ya jumla; nyingine huhamisha chaji kati ya tabaka. Tabaka hizo kwa pamoja zinapojaza idadi kamili ya ngazi, kila moja ikiwa imejaa sehemu tu, elektroni katika moja huungana na shimo katika nyingine, na kuunda kondenseti.

Timu ilikipiga picha kwa hadubini ya kupenya kwa kuchanganua (scanning tunnelling microscope) kwenye nyuzi 0.2 juu ya sifuri kamili: elektroni huruka kati ya ncha kali na tabaka la juu, na mkondo hutegemea kilichopo chini yake, ikiwemo chaji katika viini vya vimbunga.

Kimiani kinachobana kadiri ya chaji

Elektroni chache zikiongezwa au kuondolewa, ramani za mkondo za maeneo yasiyo na kasoro yenye upana wa takriban nanomita 400 zilionyesha madoa angavu yaliyopangika. Ugeuzaji wa Fourier (Fourier transform), hesabu inayogeuza mpangilio unaojirudia kuwa vilele vikali, ulitoa vilele sita: kimiani chenye ulinganifu wa mara sita.

Elektroni zilipokuwa zikiongezwa, kimiani kilizidi kubanana, nafasi zake zikishuka kutoka takriban nanomita 135 mwanzoni hadi takriban 60, karibu na mkunjo uliotabiriwa. Kilitoka kuwa chenye nafasi kubwa hadi kupangika vizuri, kisha kikayeyuka zaidi zilipoongezwa. Madoa huunda mpangilio wa pembetatu badala ya sega la nyuki: ncha huhisi tabaka la juu, ambapo vimbunga hubeba chaji zaidi kuliko vimbunga-kinyume vilivyo chini.

Jaribio ambalo fuwele ya elektroni hushindwa

Elektroni zinazosukumana zinaweza pia kuganda kuwa kimiani zenyewe, fuwele ya Wigner (Wigner crystal). Fuwele moja katika tabaka la juu ingekuwa na nafasi zinazoamuliwa na chaji ya tabaka hilo pekee. Karibu na kondenseti, chaji hiyo haibadiliki sana, kwa sababu tabaka la chini hulikinga lile la juu dhidi ya lango; hata hivyo nafasi zilizopimwa zilibadilika. Chini ya ujazo wa ziada wa 0.17 ya ngazi, utabiri wa fuwele ya Wigner unakosa data waziwazi.

Jaribio la kuamua: nafasi za kimiani cha vimbunga zinapaswa kutegemea chaji ya ziada ya jumla pekee, si jinsi tabaka zinavyoigawana, kwa sababu ni jumla pekee inayoathiri fazi ya pamoja. Timu ilishikilia jumla bila kubadilika na kuhamisha chaji kati ya tabaka, ikibadilisha ujazo wa kila tabaka kwa hadi 30%. Fuwele ya Wigner katika tabaka la juu ingebadilisha nafasi zake kwa takriban nanomita 20. Nafasi zilizopimwa zilibaki takriban 60. Ni utofautishaji wa picha pekee uliofifia, chaji ilipohama kutoka vimbunga vya tabaka la juu hadi vimbunga-kinyume vya tabaka la chini, bila kuvisogeza.

Karibu na ujazo wa ziada wa 0.17, tabaka la chini huacha kupokea chaji na elektroni zote za ziada hukaa katika lile la juu. Hapo, nafasi hukaribiana na zile za fuwele ya kawaida ya Wigner katika tabaka la juu: mpito ambao nadharia ilitarajia.

Mashimo huchora mpangilio ule ule, uliopinduliwa

Kuondoa elektroni badala yake kulizalisha aina ile ile ya kimiani, kilichopangika vizuri hata zaidi, pengine kwa sababu eneo hilo lina mvurugiko mdogo. Utofautishaji wake umepinduliwa, kama inavyotarajiwa ikiwa chaji katika viini inabadilisha ishara, na nafasi zake tena hufuata chaji ya ziada ya jumla pekee.

Picha ya nanomita 400 inaweza kusema nini

Katika kipitishaji-kikuu, kimiani cha vimbunga kinachoenea katika picha nzima huonyesha kwamba kiowevu hudumisha fazi yake angalau kwa umbali huo. Hapa, kimiani kinachojaza uwanja mzima wa picha huweka kikomo cha chini cha takriban nanomita 400 kwa ufikiaji wa mshikamano wa fazi wa kondenseti. Zaidi ya hayo, ujazo wa kila tabaka hukokotolewa kutoka volteji hizo mbili kwa modeli ya kielektrostatiki badala ya kupimwa moja kwa moja.

Timu inaziwasilisha picha zake kama ushahidi, neno lililo katika kichwa cha makala yake, wa kimiani kilichotabiriwa na wa mshikamano wa fazi katika kiowevu kikuu cha eksitoni. Hadubini hiyo hiyo sasa ingeweza kufuatilia vimbunga hivi vinaposonga, vinapokwama kwenye kasoro na vinapoyeyuka, katika kiowevu kikuu kilichoundwa kwa elektroni pekee.