الأوتار الكونية في مركب نانوي: كيف نرى صدى الانفجار العظيم ✛
بعد الانفجار العظيم، وفقًا لعلم الكونيات التضخمي، شهد الكون توسعًا سريعًا وسلسلة من التحولات الطورية. في هذه الفترة، كما يعتقد المنظرون، قد تكون تجمدت عيوب طوبولوجية في نسيج الزمكان — أوتار كونية، جدران مجال، أحاديات قطب. استمر البحث عنها لعقود، لكن لا توجد أدلة مباشرة حتى الآن. لكن المدهش أن الفيزياء تمنحنا فرصة لإلقاء نظرة على هذه 'اللحظات الأولى للكون' على طاولة المختبر. عندما تتعرض المادة لتحول طوري مع كسر التناظر — مثلًا، تتحول إلى موصل فائق أو متكاثف بوز-أينشتاين — تظهر فيها تلقائيًا عيوب مشابهة. الفرق فقط في المقياس: بدلًا من سنوات ضوئية نتعامل مع ميكرومترات. هذا بالضبط هو التحول الذي درسه فريق من الفيزيائيين باستخدام مركب نانوي قائم على MgB₂ — موصل فائق ذو طبيعة تزاوج مدروسة جيدًا، اكتشفها جون باردين وزملاؤه ضمن نظرية BCS.
السمة الأساسية للتجربة هي نظام التبريد. عادةً، لإزالة آثار عدم التوازن ورؤية العيوب 'المتجمدة' وفق آلية كيبل-زوريك، يلزم خفض حاد في درجة الحرارة (تبريد سريع). لكن هنا لوحظت الدوامات أثناء تبريد تدريجي للغاية — حوالي 0.2 كلفن/ثانية. السبب في الشكل غير العادي للمركب: حبيبات MgB₂ فائقة التوصيل، التي تشغل حوالي 30% من الحجم، محاطة بمصفوفة MgO العازلة لكن الموصلة للكهرباء بسبب شواغر الأكسجين. ترتبط الحبيبات ببعضها عبر وصلات جوزيفسون، بحيث ينشأ على المستوى العياني ترابط طوري، لكن قبل أن يستقر، يكون لكل نطاق طور عشوائي خاص به في معامل الترتيب. عند ربط هذه 'الجزر' في شبكة واحدة، لا يتسنى للطور أن يتجانس بالكامل، مما يولد حلقات دوامية ذات عمق اختراق هائل — يصل إلى 10 ميكرومتر — للمجال. أتاح مجهر سكويد الماسح التداخلي، الذي يعمل كمستشعر فائق الحساسية للقياسات الكمومية للتدفق المغناطيسي، رؤية هذه البنى مباشرة لأول مرة. وأكدت المحاكاة العددية لتوزيعات التيار أن الدوامات تتبع حرفيًا الهندسة الفركتالية المتعرجة للقنوات التي تشقها التيارات الفائقة بين الحبيبات.
هذا العمل ليس مجرد صورة جميلة، بل اختراق في فهم التحولات الطورية في الأوساط غير المنتظمة. إنه يحول قطعة من مركب نانوي فائق التوصيل إلى محاكٍ قابل للبرمجة للكون المبكر: بتغيير سرعة التبريد أو شكل الحبيبات، يمكن دراسة كيفية نشوء وتطور العيوب الطوبولوجية في ظروف بعيدة كل البعد عن التجانس المثالي. الأفق القريب هو استخدام مجهر سكويد على الرأس بدقة نانومترية لفحص الدوامة العفوية بأدق التفاصيل واستخلاص طول الترابط الطوري مباشرة. لن يسمح هذا فقط باختبار تنبؤات نظرية كيبل-زوريك في حدها 'البطيء' الجديد، بل ربما أيضًا إيجاد طرق للتحكم في خواص التوصيل الفائق عبر الإنشاء المتحكم به للبنى الدوامية. في النهاية، نقترب من قراءة أولى بصمات كسر التناظر — الأصداء المغناطيسية المتجمدة من الحقبة التضخمية، المخزنة في قطعة سيراميك عند درجة حرارة الهيليوم السائل.
كم التدفق المغناطيسي الواحد Φ₀ صغير جدًا لدرجة أنه لإنشاء مجال مغناطيسي بقوة 1 تسلا (كالمغناطيس القوي) على مساحة 1 مم²، سنحتاج إلى حزم حوالي 50 مليون من هذه الكمات. يستطيع مجهر سكويد التقاط مجال أضعف بمليار مرة!
فكرة الأوتار الكونية — تلك الطيات العملاقة في الزمكان المتبقية بعد الانفجار العظيم — تنتقل منذ زمن طويل من الفيزياء النظرية إلى الخيال العلمي. في رواية 'الأوتار الكونية' ومسلسل 'ستار تريك'، تشكل مصدرًا لطاقة لا تُصدق وحتى بوابات إلى أكوان أخرى. تُظهر التجارب على المركبات النانوية أن مثل هذه العيوب يمكن دراستها دون مغادرة المختبر.