أكسيد الألومنيوم

الطريق لا يُبنى بهدم المنازل المجاورة: أولاً تُفرش طبقة الأسفلت، ثم يُزال الزائد حتى يظهر سطح مستوٍ. هذا ما فعله فيزيائيون من هايدلبرغ عندما تناولوا إنتاج وصلات جوزيفسون، وهي شطائر صغيرة من موصل فائق وعازل يمر عبرها التيار دون مقاومة. سابقًا، كانت هذه الوصلات تُصنع بإزالة القناع الواقي، كما لو كنت تهدم المباني لإفساح المجال للطريق. كانت هذه الطريقة بطيئة وتترك حوافًا خشنة.

كومة من الصفحات قُلبت مرات عديدة تتذكر ذلك: بعض الأوراق تستوي بدقة، وبعضها ينتفخ، وفي أماكن تبقى ثنيات. هذا تقريبًا ما تفعله المواد الطبقية عندما تدخلها الأيونات. في دراسة جديدة، راقب العلماء رقائق مفردة من MXene، وهو كربيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد، ورأوا كيف يغير تاريخ دورات الشحن والتفريغ بنيتها. لهذا الغرض، بنوا مجهرًا يتتبع انعكاس الضوء من كل رقيقة بدقة تصل إلى أجزاء من المليون من الثانية.

الكاميرا لا تصور سباقًا، بل رقصة الذرات. في ثنائي أكسيد الفاناديوم، يحدث الانتقال من الحالة العازلة إلى المعدنية في أجزاء من تريليون من الثانية، لكن حتى الآن لم يرَ أحد كيف تتحرك ذرات الفاناديوم والأكسجين بالضبط. الآن، التقط حيود الإلكترون فائق السرعة هذا المسار إطارًا بإطار. التجربة تشبه تصوير رقصة سريعة من زوايا مختلفة.

غشاء شفاف من أكسيد البزموت-تنجستن موضوع على ركيزة ولا يوصل التيار. ثلاث دقائق في سحابة بلازما النيتروجين تجعله يسودّ، وتنخفض مقاومته بمقدار مليار مرة. السر ليس في ذرات جديدة، بل في إعادة ترتيب الذرات القديمة: الأماكن الفارغة التي كانت تحتضن الأكسجين تصطف في صفوف منتظمة، كجنود ينفذون أمرًا. هذا الصف من الفراغات يتحول إلى طريق للإلكترونات.

المترجم في قاعة المحكمة يجب أن ينقل كل كلمة دون أن يشتت انتباهه بضوضاء القاعة. في العالم الكمومي، يلعب الرنان فائق التوصيل دور هذا المترجم، إذ يجب أن يفقد الفوتونات وفق جدول زمني صارم، دون أن ينحرف بتأثيرات دخيلة. سابقًا، كان يُستخدم الضخ الميكروويفي، لكنه هو نفسه كان يسبب تشويشًا، كما لو أن المترجم بدأ يصرخ بتعليقات الجمهور. الآن وجد العلماء طريقة أكثر هدوءًا.

جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل هو أداة تلتقط مجالًا مغناطيسيًا أضعف بمليارات المرات من إبرة البوصلة العادية. بداخله جسر ضيق تنقطع فيه فجأة خاصية التوصيل الفائق. يعمل هذا الجسر مثل بوابة دوارة لتدفق المغناطيسي: بعدّ كمية الكمات التي مرت، يقيس الجهاز المجال. لكن المشكلة أن الجسر يُصنع من قطعتين من الموصل الفائق تُلحمتان تحت المجهر.

الكيوبتات فائقة التوصيل هي القلب النابض لـ الحواسيب الكمومية، لكن إيقاعها يضطرب بفقدان التماسك: حيث تذوب الكمومية في الضوضاء. البنى التقليدية إما تفقد دقة التحكم، أو تعتمد على المجالات المغناطيسية — وهذه، كقادة أوركسترا غير مدعوين، تُدخل تداخلاً متبادلاً. أليكسي كيتايف ابتكر الحماية التماثلية — وسيلة لترميز الكيوبت بحيث لا تراه ضوضاء الشحنة.

كلما كان غشاء الكهروضوئي الحديدي أرق، كان حقل إزالة الاستقطاب أقوى — هذا ما تفرضه الفيزياء التقليدية. تخيل قلم رصاص يتوازن على طرف إصبعك: كلما كان أقصر، كان من الأصعب إبقاؤه عمودياً. هكذا يميل الاستقطاب النانومتري إلى الاختفاء.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف دوره دون أن يخطئ. في دور العازفين تظهر الكيوبتات — حاملات المعلومات الكمومية. لكي تعزف الأوركسترا بتناغم، نحتاج إلى كيوبتات موثوقة، قابلة للتحكم، وغير حساسة جدًا للضوضاء. من بين المنصات الواعدة، لفات الثقوب المحتجزة على ذرات الشوائب في أشباه الموصلات.

مفتاح يعرف بنفسه إلى أين يتدفق. هكذا يعمل صمام جوزيفسون الثنائي (Josephson diode) — جسر فائق التوصيل يمر فيه التيار في اتجاه واحد عن طيب خاطر، بينما يصطدم في الاتجاه الآخر. في العمل الجديد، صُنع هذا الجسر من الغرافين — ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة. ظهر التأثير عندما طُبّق مجال مغناطيسي ضعيف على الجهاز — بضع ميلي تسلا فقط.

تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي مثل حشد فوضوي: فتصطدم ببعضها البعض وبعيوب الشبكة البلورية، فتفقد طاقة تظهر كمقاومة كهربائية. أما في الموصل الفائق، فتتحرك الإلكترونات بتناسق، كأزواج في رقصة منسقة، دون أن تصطدم ببعضها. وتتميز هذه الحالة بانخفاض الإنتروبيا — وهو مقياس للفوضى في النظام. هذا السلوك نادر في الفلزات النبيلة مثل الذهب والنحاس.

جسر من الألومنيوم بسماكة بضع ذرات هو قلب العديد من الأجهزة الكمومية. عبر هذا الجسر، يتدفق التيار دون مقاومة، ويمكن التحكم فيه بواسطة مجال مغناطيسي. تُسمى هذه الجسور وصلات جوزيفسون نسبةً إلى الفيزيائي البريطاني الذي وصف سلوكها. عادةً ما تُصنع باستخدام شعاع إلكتروني، لكن ذلك مكلف وبطيء. الطريقة الجديدة تستغني عن الشعاع الإلكتروني.

الجسيمات الكمومية قادرة على عبور العوائق، وكأنها كرة تجد نفسها فجأة داخل تل وتخرج من الجانب الآخر. هذا تأثير النفق — وهو نتيجة مباشرة للطبيعة الموجية للمادة — فسّره جورج جاموف أثناء فكّه لآلية اضمحلال ألفا: كيف تغادر الجسيمات النواة الذرية متجاوزةً الحاجز الكامن.

الملقط البصري هو شعاع ليزر يمسك بذرة في نقطة واحدة، كما تمسك الأصابع بحبة البازلاء. من هذه الملاقط تُبنى شبكات كاملة من الذرات، وهي أساس أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية. لكن هناك مشكلة: لا تدخل الذرة إلى كل ملقط. عادةً، تمتلئ نصف المصائد فقط، وبالنسبة للجزيئات تكون النسبة أقل من ذلك. الأماكن الفارغة تكسر البنية بأكملها.

الميمريستور هو مقاوم ذو ذاكرة: بعد فصل التيار، يحتفظ بمقاومته. بداخله، طبقة رقيقة من أكسيد معدني محصورة بين قطبين معدنيين. عندما يُمرَّر تيار قوي عبر الجهاز لأول مرة، تتشكل في الأكسيد خيوط موصلة من فراغات الأكسجين، وتنخفض المقاومة بشكل حاد. تُسمى هذه العملية بالتشكيل الكهربائي.

ضفتان فائقتا التوصيل تربطهما جسر من مادة مغناطيسية. داخل الجسر يوجد جدار المجال المغناطيسي: حد ضيق تنعطف عنده المغنطة كما ينعطف صف من الجنود عند تغيير اتجاه الخطوة. التيار الذي يمر عبر هذا الجسر لا يتصرف مثل نهر هادئ، بل مثل تيار يلتف حول عائق: فهو يلتف في حلقات ويغير شدته.

رقاقة الكم تشبه كعكة ذات طبقات: معدن فائق التوصيل، طبقة رقيقة من العازل، ثم معدن مرة أخرى. سابقًا، كانت الطبقات تُوضع عبر قناع بوليمري — مثل استنسل للطلاء. كان البوليمر يترك قطرات غير مرئية على السطح تفسد خاصية التوصيل الفائق وتعيق النقاء. الآن أُزيل القناع. بدلاً منه، تُحفر أخاديد في السيليكون — مثل أتلام في حقل مزروع. يُرش المعدن مباشرة في هذه الأخاديد، فيستقر بدقة دون فضلات كيميائية.

سطح النيوبيوم المصقول حديثًا يلمع كالمرآة. لكن بعد دقائق قليلة تظهر عليه طبقة أكسيد باهتة لا تُرى بالعين المجردة. بالنسبة للكيوبت فائق التوصيل، هذه الطبقة مثل الرمل في الساعة: إنها تجعل الحالة الكمومية تنهار قبل أوانها. كلما طالت مدة "تنفس" الكيوبت للهواء، زادت سرعة نسيانه لمعلوماته الكمومية.

سيارتان متطابقتان تخرجان من خط التجميع نفسه. الهيكل، والعجلات، والمقود: كل شيء متطابق. فقط في إحداهما محرك بنزين عادي، وفي الأخرى محرك هجين يمكن ضبطه حسب الطريق. وإذا بالهجين يتعطل بعد بضعة كيلومترات، بينما البنزين يقطع عشرات الكيلومترات. هذا هو الحال تقريبًا مع نوعين من الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي اللبنات الأساسية للحاسوب الكمومي.

ورقتان من الجرافين — غشاء كربوني بسماكة ذرة واحدة — دون تدوير تشبهان ميناءً مزدحمًا بالمياه الضحلة: أيونات الليثيوم إما أن تعلق في المياه الضحلة وإما أن تمر مسرعة دون توقف. لكن التدوير بزاوية 9.43° يشق ممرًا ملاحيًا مثاليًا. أيونات الليثيوم كالسفن ترسو بأمان عند 'أرصفة' الكربون وتقلع فورًا دون إبطاء.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة تشبه شبكة معدنية مرنة تندفع عبرها الإلكترونات دون عوائق تقريبًا. اطوِ ورقتين منها مع إزاحة طفيفة، وستتغير خصائص المادة جذريًا: فقد تصبح عازلًا لا يمرر التيار. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أن هذا التبدل في الأدوار يمكن استدعاؤه بمجالات ضعيفة إذا أُخذ في الاعتبار عدم تماثل ضئيل في ترتيب الذرات.

الأنود الغرافيتي العادي في بطارية الصوديوم يشبه مرآبًا ضيقًا بالكاد يتسع لشاحنة كبيرة. الصوديوم أكبر من الليثيوم ولا يتسع جيدًا بين طبقات الغرافيت، لذلك تفقد البطاريات سعتها بسرعة. وجد الباحثون حلاً: أخذوا ورقة غرافين وربطوا بها مجموعات أمينو من جانب واحد — "خطافات" جزيئية. النتيجة مادة ذات وجهين: وجه أملس والآخر مليء بالخطافات. عند شحن البطارية، يدخل الصوديوم إلى هذه المادة على ثلاث مراحل.

غالبًا ما تُبنى الدوائر فائقة التوصيل على وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) — وهي أماكن يتدفق فيها التيار دون مقاومة عبر حاجز رقيق. عادةً ما يكون هذا الحاجز طبقة أكسيد، لكن من الصعب التحكم في خصائصها على المستوى النانوي. في العمل الجديد، يصبح الحاجز طبقة رقيقة من نيتريد النيوبيوم أو التيتانيوم، محصورة بين طبقات من النيوبيوم.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل كيوبت هو عازف يؤدي دوره. لكن بين الحين والآخر يقتحم القاعة شعاع كوني، فيجفل عازف الكمان ويخرج عن الإيقاع. هذه الجسيمات القادمة من أعماق الفضاء تخترق الرقاقة، وتطلق إلكترونات زائدة، وتفسد الموسيقى الكمومية الهشّة. لمواجهة هذه الاضطرابات، بنى الفيزيائيون منصة اختبار خاصة.

الحاسوب الكمومي مثل أوركسترا، حيث يجب على كل عازف أن يعزف نغمته دون نشاز. لكن الكوبيتات فائقة التوصيل تعاني من مشكلة شائعة: تتراكم شحنات عشوائية على أقطابها، فتنزلق "النغمة". يسمي المهندسون هذا انجراف انحياز الشحنة — وعادة ما يقاتلونه لسنوات.

عندما تُضغط مادتان مختلفتان معًا ثم تُفصلان، تقفز بينهما شرارة. هذا مألوف لكل من خلع سترة صوفية في الظلام أو تلقى صدمة كهربائية من مقبض الباب. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الشحنات ببساطة تقفز من سطح إلى آخر بسبب الاختلافات في خصائص المواد. لكن التجارب الحديثة أظهرت أن الأمر أكثر تعقيدًا.

في بلورة المعدن، تصطف الذرات في صفوف منتظمة، مثل الطوب في الجدار. لكن إذا نُزع طوبة واحدة، تبقى فراغ — يُسمى فراغًا (vacancy). تحت التشعيع، يزداد عدد هذه الفراغات، فتبدأ بالاندماج في ثقوب كبيرة، ويفقد المعدن صلابته. هذا يشبه أن تندمج الثقوب في جدار من الطوب لتُحدث فجوة نافذة. أخذ العلماء التنجستن — وهو معدن شديد الانصهار يُستخدم في المفاعلات النووية — وأضافوا إليه عدة عناصر أخرى.

الكمبيوتر الكمومي مثل أوركسترا، حيث يجب على كل عازف أن يدخل في الوقت المحدد تمامًا. أدنى حفيف في القاعة يشتت انتباه عازف الكمان، ويتفكك اللحن. في رقائق السيليكون، يلعب الضجيج الكهربائي دور هذه الحفيفات: تقلبات عشوائية في الشحنة داخل المادة. إنها تجعل البتات الكمومية ترتكب أخطاءً. قرر المهندسون معرفة كيف يرتبط تصميم الرقاقة نفسه بهذا الضجيج.

الكيوبت، وهو خلية الحوسبة في الحاسوب الكمومي، يعيش لجزء من الألف من الثانية ثم ينسى حالته. أحد الأسباب هو وصلة صغيرة بداخله: طبقتان من الألومنيوم بينهما طبقة من أكسيد الألومنيوم بسمك نانومترين. تُسمى هذه الشطيرة وصلة جوزيفسون (Josephson junction)، ومن خلالها يتدفق تيار فائق التوصيل دون مقاومة.

غشاء رقيق من زرنيخيد الإنديوم موضوع على ركيزة عازلة يتصرف مثل ترمس مزدوج الجدران: الإلكترونات بداخله لا تنقل الحرارة تقريبًا إلى البلورة المحيطة. في المعدن العادي، تتبادل الإلكترونات الطاقة بسرعة مع اهتزازات الذرات، لذا تكون درجة حرارتها دائمًا قريبة من درجة حرارة العينة.

البت الكمومي يشبه قمة دوارة يجب أن تدور لفترة طويلة دون أن تتمايل. في الجرمانيوم، تعلمنا كيفية إطلاق مثل هذه القمم، لكن الأرضية من حولها تهتز دائمًا: التداخلات الكهربائية تعطل الدوران. لجعل الأرضية أكثر استواءً، عادةً ما تُوضع طبقة سميكة من السيليكون-الجرمانيوم في الأعلى، وهي مثل سجادة تخفف الخطوات.

الموصل الفائق العادي والمجال المغناطيسي مثل الماء والنار: فالمجال يكسر أزواج الإلكترونات التي تنقل التيار دون مقاومة. ولكن بدلاً من فيلم متصل، إذا استخدمنا حبيبات ألومنيوم دقيقة متناثرة، كل منها مغطاة بطبقة رقيقة من الأكسيد، يتغير الوضع. هذه الحبيبات، المترسبة على رقاقة من الجرمانيوم والسيليكون، تتحمل مجالاً موجهاً على طول السطح وعرضه.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف نغمته بدقة. لكن في القاعة هناك ضجيج غير مرئي — عيوب في التماسات فائقة التوصيل تُخرج الكيوبتات عن الإيقاع. تُسمى هذه العيوب أنظمة ذات مستويين. إنها مثل الشقوق الصغيرة في الزجاج: صغيرة، لكنها قادرة على إفساد الصورة كاملة. قرر مؤلفو الدراسة معرفة مصدر هذه الشقوق.

يتصرف الليثيوم في البطارية أحيانًا مثل نبات متسلق على واجهة مبنى: بدلاً من طبقة متساوية، يُخرج زوائد رفيعة حادة. هذه الإبر قد تثقب الفاصل داخل البطارية وتسبب قصرًا في الدائرة. لذلك يبحث المهندسون عن طرق لجعل الليثيوم ينمو بهدوء. إحدى الحيل التي تم اكتشافها هي وضع طبقة فضية رقيقة تحت الليثيوم. نظر مؤلفو العمل الجديد إلى المستوى الذري ورأوا كيف تساعد الفضة بالضبط.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف بتناغم تام. إذا أخطأ أي آلة، تنهار اللحن. في هذا التشبيه، تلعب البتات الكمومية فائقة التوصيل دور العازفين، و«خطؤها» هو فقدان الترابط الكمومي. لطالما بحث العلماء عن مصدر الاضطرابات، وأحد الأسباب مختبئ في المادة نفسها التي صنع منها البت الكمومي.

يُبنى الحاسوب الكمومي من العديد من الكيوبتات — مثل أوركسترا من العازفين. لكن كل آلة تصدر صوتًا مختلفًا قليلًا. في الكيوبتات فائقة التوصيل، تلعب شريحة رقيقة من الألومنيوم وأكسيد الألومنيوم دور الوتر — وهي وصلة جوزيفسون. تعبر أزواج الإلكترونات هذه الوصلة عبر النفق الكمومي (quantum tunneling)، ومدى سهولة عبورها يحدد "طبقة الصوت" للكيوبت.

الكيوبت فائق التوصيل هو دائرة كهربائية صغيرة جدًا تتصرف مثل ذرة اصطناعية. في الحالة الطبيعية، يمر فيه تيار بدون مقاومة، وتكون مستويات الطاقة منتظمة مثل درجات السلم. ولكن إذا علق إلكترون واحد فقط في الدائرة، يتغير كل شيء. هذا الإلكترون الإضافي يشبه راكبًا حشر نفسه في عربة مكتظة: فهو لا يشغل مكانًا فحسب، بل يجبر الجميع على التزاحم وإعادة الترتيب.

في الفائق التوصيل، تتحرك الإلكترونات في أزواج، مثل الأزواج في الرقص. عادةً، يمر زوج واحد في كل مرة عبر الوصلة بين فائقَي توصيل. لكن إذا أُضيف قطب ثالث، تتعقد الرقصة: يمكن لزوجين أن يتحركا معًا، مشكلين رباعيًا. هذا الرنين الرباعي تحديدًا هو ما شوهد لأول مرة في وصلة غرافين بثلاثة أقطاب. الغرافين هو صفيحة كربون بسمك ذرة واحدة.

مشط صغير من نيوبات الليثيوم يهتز بتردد 300 مليون مرة في الثانية. كل سن محفور من صفيحة كريستالية بسماكة شعرة إنسان، وعلى جدرانه الجانبية رُشّت أقطاب معدنية. الموجة الصوتية تتردد داخل السن مثل صدى في وادٍ ضيق من الحجر، لا تجد مخرجًا إلى الخارج. في السابق، كانت هذه الرنانات تُصنع مسطحة: كان الصوت يجري على السطح، وكان جزء من الطاقة يتسرب إلى عمق المادة.

بلورة بسماكة ذرة واحدة — كورقة يمكن الكتابة عليها بالكهرباء. تعد هذه المادة أساسًا لرقائق دقيقة وسريعة. ولكن قبل إدخالها في الإنتاج، يجب معرفة تركيبها بدقة. وهنا اتضح أن الصيغة المألوفة غير صحيحة. أخذ الباحثون أكسيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد — مركب يعزل الكهرباء جيدًا وقد يفيد في الترانزستورات.