نظرية بي سي إس

معدن مكوّن من خمس ذرات مختلفة، مثل حساء تطفو فيه قطع الجزر والبازلاء والبطاطس والبصل واللحم. كل قطعة هي عنصر خاص بها: الكروم والفاناديوم والتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم. تسمى هذه السبيكة عالية الإنتروبيا: لا يوجد فيها نظام بلوري واحد، والذرات مختلطة بشكل شبه عشوائي. عادةً ما تكون المغناطيسية والموصلية الفائقة في عداء.

في الممر الضيق، لا يسير الناس كحشد، بل في صفوف. عدد الصفوف يعتمد على عرض الممر. في الغرافين، يلعب التلامس النقطي الكمومي دور هذا الممر - وهو انقباض حيث تتحرك الإلكترونات باليستياً دون تشتت. بوابتان بفجوة 75 نانومتر تُنشئان هذا الممر، وبوابة ثالثة تغير عرضه، فتفتح أو تغلق الأنماط الكمومية - "صفوف" متقطعة للإلكترونات. كل نمط جديد يضيف درجة إلى الموصلية.

الموصل العادي يسخن عند مرور التيار فيه — جزء من الطاقة يتبدد على شكل حرارة. الموصل الفائق يخلو من هذا العيب: التيار الكهربائي يتدفق فيه دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. المشكلة أن معظم الموصلات الفائقة تعمل إما في درجات حرارة منخفضة للغاية أو عند ضغوط هائلة تضاهي الظروف في باطن الكواكب. يسعى الكيميائيون منذ زمن طويل إلى إيجاد مواد تكفيها ظروف معتدلة.

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.

تتصرف العديد من المواد مثل الجليد المتقلب: فهي تذوب عند ضغط معين، وتزداد صلابة عند ضغط آخر. والموصلات الفائقة من عائلة الكوبرات ليست استثناءً. فقدرتها على توصيل التيار دون فقدان تعتمد على مدى انضغاط الشبكة البلورية. في الدراسة الجديدة، تتبع الفيزيائيون هذا الاعتماد لمركب Bi-2223.

في الطبقات الرقيقة من بلورة سيلينيد التنتالوم (TaSe₂) اكتُشفت خاصية تتحدى الفيزياء المألوفة. عندما أُدخلت ذرات ضيفة بين طبقات هذه المادة، فقد البنية مركز التناظر الانعكاسي — وظهرت في داخله موصلية فائقة بحماية غير عادية. عادةً، المجال المغناطيسي القوي يدمر الحالة فائقة التوصيل، ممزقًا أزواج كوبر — الحالات المرتبطة من الإلكترونات ذات اللفات المتعاكسة.

تيار بلا فقدان — حلم قديم لقطاع الطاقة. بعض المواد تصبح موصلات فائقة، لكن عادةً فقط عند برودة شديدة. مؤخرًا، في عائلة النيكلات — مركبات قائمة على النيكل — اكتُشفت مرشحات تعمل عند درجات حرارة أعلى. مجموعة من المنظرين تناولت ثلاثًا من هذه المواد (مع اللانثانوم والبراسيوديميوم والنيوديميوم) وحسبت سلوكها "من الصفر"، دون تكييف مع التجربة. كشف الحساب عن صورة غير متوقعة.

غشاء رقيق من بلورة خاصة — مثل ثنائي كبريتيد الموليبدينوم — موضوع على منصة المجهر. درجة الحرارة أعلى قليلاً من تلك التي تتحول عندها المادة إلى موصل فائق. في هذه اللحظة تبدأ حياة خفية في داخله: تظهر وتختفي أزواج إلكترونات للحظات — أزواج كوبر التموجية (اقترانات قصيرة العمر بين إلكترونين).

السيولة الفائقة — حالة تتدفق فيها المادة بدون احتكاك — ظلت بعيدة المنال في متكثفات بوز الإكسيتونات المتعادلة. على عكس الموصلات الفائقة، حيث يُطرد المجال المغناطيسي بتأثير مايسنر، هنا أصبح الصوت نفسه للسائل الكمي هو العلامة — سرعة الصوت.

غالبًا ما يُصوَّر التوصيل الفائق على أنه رقصة متجمدة للإلكترونات: فهي تتحد في أزواج وتتحرك دون مقاومة، مثل متزلجين على جليد مثالي. لكن في الموصلات الفائقة عالية الحرارة، يتبين أن هذا الجليد ليس أملسًا تمامًا. كارل شفارتسشيلد أظهر يومًا كيف تحني المادة الزمكان؛ وهنا، مجال الأزواج نفسه يحني «ذاكرته» عن الحالات السابقة.

لما يقرب من أربعين عامًا، لا تزال الموصلية الفائقة عالية الحرارة في الكوبرات أحد أعمق الألغاز في فيزياء المادة المكثفة. في المعادن العادية، تتزاوج الإلكترونات في أزواج كوبر بفضل اهتزازات الشبكة البلورية، لكن تأثير النظائر هنا ضعيف للغاية.

الغرافين — بلورة كربون ثنائية الأبعاد — لطالما أغرت الفيزيائيين بأمل التوصيل الفائق في درجات حرارة عالية. إلكتروناته تخضع لمعادلة بول ديراك النسبية، وتندفع بسرعة هائلة، بالكاد تلاحظ بعضها البعض.

في بلورة CsV3Sb5-xSnx، التي تصبح موصلًا فائقًا عند درجات حرارة منخفضة، لا يسري التيار كتدفق متصل، بل عبر مسارات ضيقة متعرجة. ساعد في رصد هذه المسارات مجهر ماسح مزود بمستشعر حساس للمجال المغناطيسي، يلتقط أدق التيارات كما يفحص مسبار الصدى قاع البحر. الصورة تذكرنا بشبكة جداول تشق الصخر: بعض المناطق تسمح بمرور التيار، بينما تظل أخرى محجوبة.

غشاء رقيق من أكسيد الإيتريوم-الباريوم-النحاس يُسخَّن في تيار من الأشعة تحت الحمراء — وفجأة يتوقف عن تبديد الطاقة. هذا هو التوصيل الفائق: تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك كسرب كمومي واحد. لكن في العينات منخفضة التطعيم، يختل الاتفاق قبل وقت طويل من تفكك الأزواج. الأزواج موجودة بالفعل، لكن الإيقاع الجماعي غائب.

قدر الماء يغلي دائمًا بنفس الطريقة: مئة درجة — وتبدأ الفقاعات. مع السوائل الكمومية، الأمر مختلف تمامًا. عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى ما يقارب الصفر المطلق، يمكن أن تتحول إلى موجة مادة واحدة — مكثف بوز-أينشتاين. لكن الانتقال نفسه، كما اتضح، يمكن أن يكون من ثلاثة أنواع مختلفة.

الموصلات الفائقة — مواد قادرة على توصيل التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة — تتطلب عادةً تبريدًا شديدًا. لكن مركب Hg1223، المكون من الزئبق والباريوم والكالسيوم والنحاس والأكسجين، يتحدى هذه القاعدة: فمقاومته الكهربائية تنعدم عند -139 درجة مئوية. آلية هذه الظاهرة متناقضة: التنافر الكولومبي القوي بين الإلكترونات يجبرها على الاقتران في أزواج كوبر.

مقلاة ضيقة وطويلة — وتبقى فطيرة رقيقة عليها بخطوط غير منتظمة. لعقود، رأى العلماء صورة مشابهة عندما قاموا بنمذجة سلوك الإلكترونات في الموصلات الفائقة — المواد التي توصل التيار دون فقدان. استخدموا «أسطوانات» ممدودة، وكانت النتيجة دائمًا واحدة: «أشرطة» مغناطيسية صلبة، يُعتقد أنها تعيق الموصلية الفائقة.

حشد من الناس يستطيعون التحرك بحرية، لكنهم فجأة يبدأون في التصرف ككيان واحد — هكذا يمرر الموصل الفائق التيار دون مقاومة. في موصلات الكوبرات الفائقة (مواد أساسها النحاس والأكسجين) تتصرف هذه القدرة بشكل غريب: كثافة "السائل فائق السيولة" الذي ينقل التيار تزداد أولاً مع إضافة حاملات الشحنة (doping)، ثم تنخفض. وكأن الحشد يصبح أكثر تماسكًا، ثم يتفرق فجأة.

حفنة من أعواد الثقاب تسقط على الطاولة. كل عود استقر كيفما اتفق، لكننا ذهنيًا نحوّله إلى سهم — من أحد الطرفين إلى الآخر. الآن نطرح سؤالًا: هل يمكن الانتقال من نقطة إلى أخرى، متحركين فقط في اتجاه الأسهم؟ مجموعة النقاط التي يمكن الوصول من أي نقطة فيها إلى أي نقطة أخرى تُسمى عنقودًا شديد الترابط (strongly connected cluster).

حلبة الرقص مليئة بالأزواج التي تدور في رقصة الفالس. عادةً، يتحرك الشريكان في اتجاهين متعاكسين: أحدهما يخطو للأمام والآخر للخلف للحفاظ على الإيقاع العام. في الموصلات الفائقة، تشكل الإلكترونات أيضاً أزواجاً، وحركتها تشبه هذه الرقصة: السبينات (العزوم المغناطيسية الذاتية) تشير في اتجاهات مختلفة، والعزوم المدارية (التي تصف الدوران حول النواة) تعوّض بعضها البعض.

يسقط حجر في بركة ماء — فتنتشر دوائر على سطحها. في الفيزياء، يعمل قانون حفظ مماثل للطاقة والزخم: ما كان موجودًا يبقى موجودًا. لكن في الزمكان المنحني، حيث تسيطر الجاذبية، يصبح تحديد الكميات المحفوظة أكثر صعوبة. هنا تأتي بنية كومار (Komar) للنجدة — وصفة رياضية تسمح بحساب الشحنة الكلية (مثل الكتلة أو الشحنة الكهربائية) داخل سطح مغلق، حتى لو كان الزمكان منحنيًا بشدة.

في المعادن المألوفة لدينا مثل النحاس، تتحرك الإلكترونات بشكل شبه مستقل — مثل السيارات على طريق سريع مفتوح. تنشأ المقاومة بسبب التصادمات النادرة، ويمكن وصفها بصيغ بسيطة. لكن هناك فئة كاملة من المواد — من سيراميك الكوبرات إلى الغرافين الملتوي — حيث فوق درجة حرارة الانتقال الفائق، كل شيء يسير بشكل مختلف.

في الموصل الفائق، تتحد الإلكترونات في أزواج، مثل راقصين يمسك كل منهما بيد الآخر. عادةً، تعتمد المسافة بينهما — حجم الزوج — على مدى سرعة حركتهما ومدى قوة ارتباطهما. لكن في بعض الأحيان تختفي حلبة الرقص تقريبًا، ولا يجد المرء مكانًا يتحرك فيه. يحدث هذا في المواد ذات نطاقات الطاقة المسطحة: هنا تكاد الإلكترونات تتجمد، وتتوقف القواعد المألوفة عن العمل.

المجال المغناطيسي لا يخترق الموصل الفائق كتدفق متصل، بل على شكل خيوط رفيعة تُعرف بالدوامات. عادةً ما تتنافر هذه الدوامات وتترتب في شبكة مثلثية منتظمة، مثل العوامات على سطح الماء. لكن في CaSb₂ سارت الأمور بشكل مختلف: تجمّعت الدوامات في كتل متلاصقة، تاركة بينها فراغات شبه خالية.

في عالم الموصلات الفائقة، لا تحب الإلكترونات العزلة. عادةً ما تتحد في أزواج — أزواج كوبر — وتتحرك دون مقاومة، مثل متزلجين فنيين يتكاتفان. لكن يمكن جعلها ترقص على أربع. يقترح مؤلفو هذا العمل مخططًا تولد فيه رباعيات كوبر — مجموعات من أربعة إلكترونات تتبادل الشركاء بإيقاع سريع. مفتاح هذه الرقصة هو نقطتان كموميتان، جزيرتان صغيرتان قادرتان على احتجاز الإلكترونات. وهما متصلتان بسلك معدني عادي وبضفتين فائقتين التوصيل.

بلورة نحاسية تُضغط في ملزمة من الألماس. يزداد الضغط، وداخل المادة يدور صراع بين حالتين: إحداهما تُعدّ الإلكترونات للموصلية الفائقة، والأخرى تعيقها عن الاقتران. تابع العلماء هذا الصراع باستخدام ومضات ليزر فائقة القصر. التحليل الطيفي أظهر أن درجة الحرارة التي تظهر عندها فجوة الشبه-فجوة (حالة تكون فيها الإلكترونات محجوبة جزئياً) ترتفع مع الضغط.

الموصلية الفائقة هي أن يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. عادةً ما تظهر في درجات حرارة منخفضة جدًا، لكن هناك مواد تظهر فيها عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق إلى ذلك هو ما يسمى بالنطاقات المسطحة: مناطق في الطيف الطاقي حيث تكاد الإلكترونات لا تتحرك، لكنها تتفاعل بشدة مع بعضها البعض.

في قدرٍ من الماء المغلي، تولد فقاعات البخار وتنفجر، لكن الماء نفسه يبقى سائلًا. شيء مشابه يحدث في غاز ذري فائق البرودة: الذرات تشكل أزواجًا باستمرار ثم تتفرق من جديد، رغم أن السيولة الفائقة لم تتحقق بعد. ولهذا السبب تظهر في طيف الجسيمات «منطقة ميتة» — فجوة زائفة، حيث لا يمكن للطاقة أن تأخذ قيمًا معينة. التقلبات الزوجية هي مفتاح الفهم.

في شبكة بلورية تشبه سلة منسوجة، تشكل الإلكترونات أحيانًا أزواجًا وتتدفق دون مقاومة. هذه المادة - موصل فائق يعتمد على شبكة كاغومي - تتصرف مثل أوركسترا متقلبة: بمجرد إضافة القليل من التيتانيوم، تنتقل عصا القائد من نظام إلى آخر. أخذ الباحثون تركيبتين من سبيكة CsV3Sb5 بمحتوى مختلف من التيتانيوم وعرضوها للميونات - أقارب الإلكترونات الثقيلة.

يشبه التيار الكهربائي في الموصل الفائق حشدًا يركض في ممر دون احتكاك. لكن في الموصلات الفائقة من النوع الثاني توجد عوائق — دوامات صغيرة من المجال المغناطيسي يزيحها التيار من مكانها. بمجرد أن تتحرك الدوامة، تظهر مقاومة، وينخفض التيار. لذلك تُظهر القياسات العادية تيارًا أقل بشكل ملحوظ من الحد الذي تتحلل عنده الموصلية الفائقة.

في سلسلة من المصائد، كما في صف من القلاع الساحلية، استقرت الذرات. وبجوارها بحر كمي: مكثف بوز-أينشتاين (مادة عديمة المقاومة تتحرك فيها الجسيمات كموجة واحدة). نبضات الليزر تثير الذرات، فتمنح طاقتها للبحر، خاضعةً لـلقوانين الكمومية. قد يبدو أن هذا التبادل سيفرغ كل شيء.

الموصلية الفائقة هي قدرة المادة على توصيل الكهرباء دون فقدان. الأسلاك العادية تسخن، ويذهب جزء من الطاقة في صورة حرارة، بينما الموصل الفائق يمرر التيار دون مقاومة. لكن حتى الآن، كان يُحصل على هذه الحالة فقط في درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، مما يعيق تطبيقها في الحياة اليومية.

تم تبريد بلورة يورانيوم بحجم حبة الأرز إلى خمسين جزءًا من الدرجة فوق الصفر المطلق. عند درجة الحرارة هذه، لا تنتقل الحرارة بشكل عشوائي، بل بدقة وفقًا لقواعد العالم الكمومي. وجّه العلماء الحرارة عبر العينة وراقبوا كيف تتوزع على المحاور المختلفة للبلورة — وهذا يشبه فحص الاتجاه الذي ينتشر فيه الماء بسرعة أكبر على ثنايا الورق.

عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تنتقل بعض المواد إلى حالة الموصلية الفائقة: إذ يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة. الخاصية الأساسية هنا هي درجة الحرارة الحرجة، التي تفوقها تختفي الموصلية الفائقة.

تأثير هول الكمومي — وهي ظاهرة تتكمم فيها موصلية غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد في مجال مغناطيسي قوي — كان موضع شك طويل في كونه سائلًا فائقًا: أي قادرًا على التدفق دون احتكاك ودون تبديد للطاقة.

الموصل العادي يمرر التيار بالتساوي في الاتجاهين، مثل باب يُفتح إلى الداخل وإلى الخارج. أما الصمام الثنائي فهو باب بمزلق: في اتجاه واحد ينفتح بسهولة، وفي الاتجاه الآخر يصطدم. اكتشف العلماء أن موصلًا فائقًا قائمًا على أكسيد النحاس (Tl₂Ba₂CaCu₂O₈) يتصرف مثل هذا الباب عند درجة حرارة 100 كلفن (−173 درجة مئوية)، رغم عدم وجود أي مغناطيس قريب.

السبيكة المعدنية تشبه الكوكتيل: تمزج عدة عناصر فتحصل على مادة بخصائص جديدة. لكن بينما يتذوق الساقي المشروب ليعرف طعمه، يحتاج المهندسون إلى معرفة مسبقة بكيفية تصرف السبيكة أثناء العمل.

الموصل الفائق العادي يشبه صفًا من الجنود يسيرون في أزواج: تتحد الإلكترونات وتتجه سبيناتها (وهي «قمم دوارة» داخلية) في اتجاهين متعاكسين. المجال المغناطيسي يقلب هذه الأزواج بسهولة، مدمرًا خاصية التوصيل الفائق. في UTe₂ الأمر مختلف. هناك، أزواج الإلكترونات لها سبينات موجهة في نفس الاتجاه — مثل شريكي رقص يمسكان بأيدي بعضهما ويدوران بنفس الإيقاع.

يسقط شعاع من الأشعة السينية على قطعة من الموصل الفائق، فترتفع حرارتها قليلًا. هذا التسخين، الذي يبلغ أجزاء من بليون درجة، هو الأثر الوحيد الذي يتركه الضوء. الكاشف الجديد يلتقط هذا الأثر تمامًا، مثل مقياس حرارة حساس يُضغط على معدن بارد. داخل المستشعر توجد طبقة رقيقة فائقة التوصيل تعمل على حافة فقدان خاصية التوصيل الفائق.

في الشبكة البلورية لسيلينيد الحديد، تتناوب ذرات الحديد والسيلينيوم مثل الطوب في البناء. لكن في بعض الأحيان، تتسلل ذرات حديد إضافية إلى الفراغات بينها، مثل ضيوف غير مدعوين يحشرون أنفسهم في الشقوق بين الطوب. فقط 3% من هؤلاء "الضيوف" تكفي لاختفاء الموصلية الفائقة: تتوقف المادة عن توصيل التيار دون مقاومة.