موصلية حرارية شاذة في البنى النانوية

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد.

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.

يتدفق التيار في المعدن العادي مثل حشد من الناس في شارع مستقيم: كل إلكترون مستقل بذاته، وإذا تم تطبيق مجال مغناطيسي، ينزاح الحشد كله قليلاً إلى الجانب. يُسمى هذا الانزياح تأثير هول. لكن في "المعادن الغريبة" — المواد التي تتصرف فيها الإلكترونات ليس كجسيمات منفصلة بل ككل واحد — تنهار الصورة. في هذا العمل، درس الباحثون الموصل الفائق BaFe2(As1-xPx)2 بتغيير نسبة الفوسفور x.

داخل سندان ألماسي يضغط العينة بقوة تفوق الضغط الجوي بملايين المرات، يلتقي غشاء رقيق من اللانثانوم بالهيدروجين. يأتي الهيدروجين من أمين البوران (ammonia-borane) — مسحوق يُطلق هيدروجينه عند التسخين، مثلما تُطلق الإسفنجة الماء. خلال دقائق من التسخين بالليزر، يولد غشاء هيدريد اللانثانوم — مادة توصل الكهرباء دون مقاومة عند سالب 26 درجة مئوية.

رقاقة دقيقة بحجم الظفر تطلق من الحرارة ما يعادل ما تطلقه مصباح صغير. تبديد هذه الحرارة يشبه محاولة إفراغ كوب من الشاي الساخن بملعقة صغيرة: فالمادة العازلة حول الترانزستورات عادةً ما تكون رديئة التوصيل للحرارة.

في مركز نجم يحتضر، عندما ينضغط نواته إلى كرة نيوترونية، تولد عاصفة غير مرئية. تريليونات من النيوترينوات — جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة — تندفع في البلازما شديدة الحرارة. وهي كثيرة جدًا لدرجة أنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض، مغيرًة "نكهاتها" (الأنواع: إلكتروني، ميوني، تاو-نيوترينو) مثل الحرباء.

شطيرة صغيرة من الأكاسيد، تُنمّى طبقة فوق طبقة، تصبح موصلة تمامًا عند درجة حرارة حوالي 200 درجة مئوية تحت الصفر. هذه ليست خدعة، بل فصل جديد في البحث عن مواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية.

وُضعت قطعة من غشاء أرق من شعرة الإنسان بين سنداني الماس وبدأ الضغط عليها. ارتفع الضغط — مئة ألف ضغط جوي، نصف مليون، مليون… والمادة واصلت توصيل التيار دون مقاومة. الضغط البالغ 210 جيجا باسكال يعادل وضع ألفي فيل على ظفر إبهام اليد. أظهر غشاء نيكلات اللانثانم-سترونشيوم (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) صورة مذهلة.

شريحة رقيقة من السيراميك، مثل غشاء الصابون، يجري فيها التيار دون أدنى مقاومة. هكذا تبدو الموصلية الفائقة التي أمكن تحقيقها في النيكلات، وهي أقرباء للموصلات الفائقة النحاسية الشهيرة. عادةً، كان يتطلب ذلك ضغطًا هائلًا يعادل الضغط في قاع المحيط. لكن العلماء الآن وجدوا طريقًا ملتويًا: لقد زرعوا الغشاء على ركيزة بلورية تضغطه بقوة مقدارها 2.14%.

كعكة طبقية، كل طبقة فيها توصل الكهرباء بطريقتها الخاصة — هكذا تُبنى بلورة La3Ni2O7، مركب من النيكل واللانثانوم والأكسجين. التيار على طول الطبقات يسير بشكل مختلف عن التيار عبرها. الباحثون قاسوا مقاومة هذه المادة بدقة عالية، عاصرين إياها بسندان الألماس حتى ضغوط تصل إلى عشرات الآلاف من الأجواء.

تبشر الإلكترونيات السبينية بنقل المعلومات ليس بالشحنة بل باللف المغزلي، مما يُخلّص الإلكترونيات الدقيقة من عدوها الرئيسي: تسخين جول. تُعلّق آمال خاصة على العوازل المغناطيسية، حيث يمكن أن يحمل التيار السبيني داخلها مغنونات أو متكثف سبيني واحد - حالة كمومية عيانية، أشبه بـالناقل الفائق بلا مقاومة.

تخيل ناطحة سحاب مبنية ليس من الطوب المنفرد، بل من شقق استوديو كاملة. هكذا تمامًا تتكون بلورة Au₆Te₁₂Se₈: عُقدها ليست ذرات، بل عناقيد ذرات فائقة من الذهب وعناصر الكالكوجين، والتي تتصرف ككائنات كمومية واحدة. في الشبكات الذرية العادية، تولد الحركة الجماعية للإلكترونات موجة طولية لكثافة الشحنة - ما يشبه 'الموجة' في المدرجات، حيث يقف الجمهور ويجلس بالتناوب.

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.

في حوض السباحة، عادةً ما ينتشر الماء في دوائر من حجر يُلقى فيه. لكن إذا وجّهت التدفق بدقة على طول الحافة، فسوف يجري على طول الحافة فقط. شيء مشابه لُوحظ في قطع من بلورة فائقة التوصيل FeTe0.55Se0.45. عند قياس المقاومة، تبيّن أن التيار لا يمر عبر البلورة بأكملها، بل فقط على طول حدودها الحادة والمستقيمة تمامًا — وكأنه يسري في قناة غير مرئية. هذه القناة تعمل فقط عند توفر ثلاثة شروط.

عادةً ما تكون الموصلية الفائقة قصة عن البرد. كلما انخفضت درجة الحرارة، أصبح من الأسهل للإلكترونات أن تقترن في أزواج وتتدفق دون مقاومة. لكن في دراسة جديدة، زرع الفيزيائيون أغشية رقيقة من النيكيلات (nickelates) مع إضافة اليوروبيوم، ورأوا الصورة المعاكسة. عند درجات حرارة أقل من 2.6 كلفن، تصرف العينة كمعدن عادي ذي مقاومة.

مقياس حرارة يحول تدفق الحرارة إلى إشارة كهربائية — هكذا يعمل تأثير نيرنست الشاذ: في المادة المغناطيسية، تولد الحرارة جهدًا عرضيًا. حتى الآن، كان بإمكان المهندسين فقط تعديل هذه الإشارة قليلاً عن طريق تغيير نسب معدنين. العمل الجديد يضيف مكونًا ثالثًا — وتصبح الصورة أكثر تعقيدًا بشكل كبير.

الخزّاف ينقش نقشًا على بلاطة طينية ما زالت رطبة باستخدام أداة حادة. حركة خاطئة واحدة — فينزلق الخط وتتشقق البلاطة. هكذا تقريبًا يتعامل الفيزيائيون مع أغشية الموصل الفائق عالي الحرارة YBCO (مركب من الإيتريوم والباريوم والنحاس والأكسجين). لكن أداتهم هي حزمة رفيعة جدًا من أيونات الهيليوم، والبلاطة هي طبقة سيراميك بسماكة مئات الذرات.

في الوحل العكر، بين قطبين كهربائيين، تصطف سلاسل طويلة من البكتيريا — رفيعة مثل كابل مجهري. كل خيط من هذه الخيوط يوصل التيار لمسافة سنتيمتر كامل، وهو ما يعتبر ماراثونًا حقيقيًا للكائنات الدقيقة. السر يكمن في ألياف مدمجة في غلاف الخلايا نفسها: تمر عبرها الكهرباء تقريبًا دون فقدان، كما في سلك نحاسي.

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.

تشبه بلورة التيلوريوم سلمًا حلزونيًا صغيرًا: فالذرات فيها ملتوية في شكل حلزوني. عندما تنتقل الحرارة عبر مثل هذه البلورة، لا تنقلها الإلكترونات بل الموجات الصوتية - اهتزازات الشبكة نفسها. هذه الموجات لا تدفع إلى الأمام والخلف فحسب، بل تدور أيضًا حول محورها مثل قمة دوارة.

ورقتان أبيضتان تحت الشمس — إحداهما خشنة والأخرى ناعمة. أيتهما ستسخن أقل؟ الورقة الخشنة تشتت الضوء بقوة أكبر، ويبدو أنها ستبقى أبرد. لكن إذا كان الطلاء مكونًا من العديد من الكرات الزجاجية الشفافة، يتغير المنطق. فالضوء يتجول فيها كما في ضباب كثيف، وفي لحظة ما يتوقف عن ملاحظة القطرات الفردية.

ملعب مكتظ: الجماهير تتحرك بعشوائية، مسببة زحامًا ومقاومة. هكذا تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي. في الموصلية الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك بشكل متزامن — مثل متفرجين يمسكون بأيدي بعضهم ويغادرون المدرجات بهدوء، دون فقدان للطاقة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذا النظام يتطلب برودة شديدة ومواد خاصة مثل الكوبرات.

حبيبة ذهبية بحجم مئة ذرة تقع تحت شعاع ضوء فترتفع حرارتها. في الحياة العادية لا يشكل هذا الأمر خطراً، لكن في عالم تقنية النانو يمكن لهذا التسخين الضئيل أن يفسد مستشعراً حيوياً أو يحرق شريحة إلكترونية. لا يمكن وضع مروحة هنا: ففي هذه المقاييس الصغيرة، تحتبس الحرارة كما تحتبس في سترة شتوية سميكة.

الضوء، كما وصفه ماكسويل، يتصرف بشكل مختلف في الأوساط المختلفة. في بحث جديد، تم نمذجة بلورة ثنائية الأبعاد تمتص الضوء وتمتلك خصائص مغناطيسية. فيها، تتصرف موجات الضوء مثل الركاب على سلم متحرك أحادي الاتجاه: تتحرك بلا هوادة نحو الحواف والزوايا، حيث تتجمع.

غشاء من نيتريد الألومنيوم رقيق مثل فقاعة الصابون معلق فوق لوح مرآة، وبينهما فجوة هوائية بسماكة ميكرومتر واحد. عندما يسقط عليه ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي بالعين المجردة بطول موجي حوالي 15 ميكرومترًا، يبدأ الغشاء بالاهتزاز بتناغم مع الضوء، مثل وتر لا يتجاوب إلا مع نغمته الخاصة. بفعل الاهتزاز، يسخن قليلاً وتتغير مقاومته الكهربائية.

بلورة تشبه كومة من الفطائر الرقيقة وُضعت على ركيزة ناعمة من أكسيد المغنيسيوم. فنتج غشاء بسمك مئات الذرات. وعندما مررنا فيه تيارًا كهربائيًا وشغّلنا المغناطيس، زادت المقاومة بنحو الربع تقريبًا — بنسبة 22.5% عند مجال 9 تسلا. داخل الغشاء، تنقل الكهرباء تياران من الجسيمات. بعضها سريع وخفيف، مثل راكبي الدراجات النارية على طريق مفتوح. والبعض الآخر بطيء وثقيل، مثل الشاحنات في زحام مروري.

أرضية فسيفسائية من بلاطات صغيرة كثيرة، كل منها ملتوية في اتجاه مختلف. يبدو أن أي نمط يحاول عبور هذه الأرضية لا بد أن يضطرب ويختفي. هكذا يُفكر عادةً في الاضطراب داخل البلورات: إذا لم تترتب الذرات في شبكة مثالية، فإن التأثيرات الكمومية الدقيقة يجب أن تتدمر.

حشد في شارع ضيق يتحرك ببطء لأن الناس يتصادمون ببعضهم البعض. في السيليكون، تنتقل الحرارة عبر «تصادمات» مشابهة — اهتزازات ذرية تُسمى الفونونات (phonons). إذا قُطعت ثقوب صغيرة في غشاء السيليكون، ستصطدم الفونونات بها كما يصطدم المشاة بالأعمدة، وسيصبح انتقال الحرارة أضعف.

البلورة التي وعدت بنقل التيار الكهربائي دون فقدان في درجة حرارة الغرفة، تبين أنها تشبه بيتًا من ورق: المسها فتنهار. مركبان — أحدهما بالفضة والآخر بالذهب — كانا يُعتبران مرشحين للتوصيل الفائق، لكن الفحص أظهر أن كلاهما لا يتحمل حتى الظروف العادية. في النسخة الفضية، تنهار الشبكة البلورية ببساطة.

الموصل الفائق هو مادة تفقد مقاومتها الكهربائية عند التبريد الشديد: يمر التيار فيها دون فقدان. أخذ العلماء بلورة طبقية من PdTe2، تشبه كومة من أوراق، وبرّدوها إلى درجة حرارة أقل من 1.8 كلفن (أي حوالي -271°م). في هذه الظروف يصبح PdTe2 موصلًا فائقًا.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن لكي يصبح الأنبوب مثاليًا، يجب تبريده إلى درجة حرارة منخفضة جدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن طويل عن طرق لصنع مثل هذا الأنبوب عند درجة حرارة أكثر دفئًا، ومن بين الأدلة المهمة النقطة الحرجة الكمومية. النقطة الحرجة الكمومية هي مثل ممر بين واديين.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة معلّقة في الهواء مثل ملاءة مشدودة. تنتقل عبره موجات حرارية — اهتزازات ذرية يسميها الفيزيائيون فونونات (phonons). كان يُعتقد سابقًا أن هذه الموجات تتبدد بسرعة بسبب التفاعل القوي، وأن الحرارة تنتقل بشكل سيئ. لكن التجارب أظهرت العكس: الحرارة تنتقل بشكل أفضل مما كانت تشير إليه الحسابات القديمة.

مجموعتان من الأراجيح تتأرجحان في اتجاهين متضادين لا تميلان المنصة. لكن حركتهما تولد دوامات غير مرئية تدفع الكرة جانباً. هكذا تتصرف المواد المتناوبة المغناطيسية: الأسهم المغناطيسية للذرات متوازنة تماماً، لكن التناظر الخفي يحني تدفق الحرارة.

إذا دفعت الحرارة عبر قطعة من الكوارتز، فإنها تسير عادةً في خط مستقيم، مثل الماء في أنبوب. ولكن بمجرد تشغيل مجال مغناطيسي، ينحرف التدفق قليلاً إلى الجانب، وكأن الأنبوب فجأة أصبح له فرع جانبي.

على سطح طبقة رقيقة من أكسيد البزموت-الحديد تظهر أشرطة منتظمة، مثل أخاديد حقل محروث. أما ما يحدث تحتها فظل لغزًا حتى الآن. جهاز جديد اسمه DREDI يسلط إلكترونات على المادة ويبني في أجزاء من الثانية خريطة للحقول الكهربائية على أعماق مختلفة بدقة تصل إلى عشرة نانومترات، أي أرق من شعرة الإنسان بألف مرة. تحت السطح لا تختفي الأشرطة، بل تلتف إلى دوامات تشبه دوامات الماء في النهر.

السجادة ممددة بشكل مستوٍ، لكن إذا دفعتها من الحافة، تنتشر عليها الطيات. في الغشاء الرقيق من كبريتيد التنتالوم (1T-TaS2)، تتجمد طيات الإلكترونات – أمواج الشحنة – كما لو أن السجادة قد تجمدت على الأرض. لتحريكها، يلزم بذل جهد. وجد العلماء طريقة للتحكم في هذا الجهد باستخدام حقل كهربائي ومغناطيس.

وُضعت ورقة رقيقة من الغرافين بسمك بضعة ميكرومترات في مجال مغناطيسي ضعيف، فبدأت تطرده من داخلها، كما تطرد الإسفنجة الماء إذا عُصرت. هذا التأثير، المعروف باسم تأثير مايسنر (Meissner effect)، هو العلامة المميزة للموصل الفائق: مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان.

الغشاء الرقيق يشبه ملاءة مشدودة: كلما كان أرق، كان اختراقه أصعب. لاحظ العلماء أن أغشية من مواد مختلفة تمامًا — الغرافين وأكسيد الغرافين والبوليمرات — تقاوم اختراق المقذوفات عند الصدمات عالية السرعة بشكل مدهش. وكلما كان الغشاء أرق، زادت الطاقة التي يمتصها لكل وحدة كتلة. لكن سبب ذلك ظل لغزًا لفترة طويلة.

غشاء رقيق من أكسيد النيكل بسمك يبلغ عشرات النانومترات — مثل ورقة مطوية مئات المرات. في درجة حرارة الغرفة، يوصل الكهرباء، لكن بمجرد تبريده قليلاً يصبح عازلاً. هذا الانتقال من موصل إلى عازل معروف منذ زمن طويل، لكن كيف تتصرف الحرارة خلاله ظل لغزاً.