سعة

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

الشحنة الكهربائية كمية مراوغة. يمكننا قياس الشحنة الكلية للكون أو شحنة جسيم منفرد، لكن محاولة الإشارة بإصبعنا: "هنا، في هذا السنتيمتر المكعب، توجد الآن كذا من الشحنة" — تصطدم بعائق أساسي. السبب هو أن الشحنة الكلية، التي يُرمز لها في الفيزياء بالحرف Q، كمية غير موضعية. هذا يشبه محاولة تحديد أين بالضبط تولد الأوركسترا اللحن: فهو موزع على كامل المجموعة وغير مرتبط بنقطة محددة.

العربة الدوّارة لا تدور بك في دائرة فحسب — بل مع كل دورة تغوص قليلاً في الأرض. هذه الحركة الشبيهة بالبرغي هي جوهر شحنة NUT — خاصية خاصة للزمكان يدرسها الفيزيائيون منذ منتصف القرن الماضي. في العمل الجديد، عاد الباحثون إلى الحلول القديمة لمعادلات أينشتاين التي تصف الفضاء المنحني حول الأجسام الدوارة ذات هذه الخصائص «اللولبية».

أي بطارية — من بطارية الإصبع إلى البطارية الكمومية — بسيطة في جوهرها: هناك مخزون من الطاقة، وهناك طريقة لاستخراجها. في العالم الكمومي، تبدو هذه "الطريقة" كانقلاب دقيق بين حالات الجسيم، يشبه نقل كرة من رف مرتفع إلى رف منخفض. لكن إذا كانت الرفوف كثيرة وموزعة بشكل معقد، فقد يبقى جزء من الطاقة محبوسًا — تقريبًا مثل الماء في أنبوب منحنٍ لا يمكن تفريغه بالكامل دون إمالة البنية بأكملها.

تشكّل البلورات البيزوكهربائية المثبّتة على الجانبين الخارجي والداخلي للجدار المعدني قناة طاقة غير مرئية. البلورة الخارجية، عند تلقيها تيارًا كهربائيًا مترددًا، تبدأ بالاهتزاز، واهتزازاتها الميكانيكية، مثل تموّجات على سطح الماء، تنتشر في المعدن في كل الاتجاهات.

بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة تتصرف كموسيقيين متقلبين: واحدة تعزف بصوت أعلى، وأخرى بصوت أخفض، وثالثة تفقد تناغمها دون سبب. تجميع بطارية منها عشوائياً يعني الحصول على نشاز: بعض الخلايا تتعرض لحمل زائد، وأخرى تبقى عاطلة، ويتعطل النظام بسرعة. حوّل المهندسون هذه المشكلة إلى مهمة لقائد الأوركسترا.

كل حضارة تولد ومعها التزام جاذبي. كتلة الكوكب الأصلي تحدد مقدار الالتزام، ومعادلة تسيولكوفسكي هي التكلفة التي تفرض على كل كيلوغرام من الحمولة. لإرسال مسبار إلى النجوم، علينا أن ندفع بالوقود، وينمو الالتزام أضعافا مضاعفة.

بندولان معلقان على عارضة واحدة. دفعة واحدة فيبدأان بالتأرجح، يتقاربان تدريجياً في الإيقاع ثم يتباعدان. في الكيوبت الطوبولوجي، تلعب جسيمات ماجورانا دور هذه البندولات — وهي إثارات خاصة قادرة على تخزين المعلومات الكمومية.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

شيخوخة البطارية تشبه إجهاد المعدن: الشق ينضج في الداخل قبل وقت طويل من كسر الجزء. عادةً ما نعرف المشكلة عندما تنخفض السعة إلى أقل من 80٪ — ولكن بحلول ذلك الوقت تكون الأضرار غير قابلة للإصلاح. تعلم مؤلفو العمل ملاحظة العلامات الأولى للتآكل من القياسات العادية التي يقوم بها جهاز الشحن نفسه: الجهد والتيار ودرجة الحرارة والمقاومة في كل دورة.

تستخدم البطاريات الكمومية التأثيرات الكمومية لتجاوز الحدود التي تواجهها الأجهزة التقليدية والمرتبطة بـ الإنتروبيا — أي مقياس الفوضى وفقدان الطاقة. يمكن تشبيه ذلك بدلوٍ تحت تيار ماء قوي: يمتلئ بسرعة هائلة. لكنّ الدلو مثقوب: فالبيئة المحيطة تمتص الطاقة باستمرار. أدرك العلماء أنه بدلاً من سد الثقوب، يمكن جعل الماء غير مرئي لها.

تفقد البطاريات التقليدية شحنتها كما يبرد الشاي. تعمل البطارية الكمومية بشكل مختلف: قلبها تجويف صغير يضم فوتونات متأرجحة. إذا تم تعريضها لأزواج خاصة من الفوتونات، تتدفق الطاقة إلى سلسلة خلايا الكيوبت في لمح البصر — تمامًا كما تتسارع الأرجوحة بدفعات قوية.

البطارية العادية في الهاتف تخزن الطاقة في الروابط الكيميائية — ببطء، مع حرارة وتآكل. المكثف الكمومي يعمل بشكل مختلف: فهو لا يُشحن بالمادة، بل بالإيقاع. الأرجوحة التي تتأرجح بتناغم مع الدفعات تخزن الطاقة في الحركة نفسها، دون احتكاك.

البطارية الكمومية ليست صندوقًا يحتوي على مواد كيميائية، بل سلسلة من المغناطيسات الصغيرة (السبينات) قادرة على تخزين الطاقة. حيلتها الرئيسية: شحن العديد من الجسيمات في وقت واحد باستخدام التشابك الكمومي (quantum entanglement). لكن هناك مشكلة — ليس كل تشابك مناسب. يطلق الفيزيائيون على «السحر» (أو اللاثباتية) خاصية خاصة بدونها لا يمكن للحاسوب الكمومي أن يتفوق على الحاسوب العادي.

البطارية العادية في الهاتف تتنفس — لكن ليس الهواء، بل التلامس. داخل جسم صلب لا سوائل فيه، يضغط الليثيوم على الإلكتروليت (المادة الموصلة للأيونات) أثناء الشحن، وينسحب عنه أثناء التفريغ، مثل الرئتين عند الشهيق والزفير. هذا «التنفس» ليس شعرًا، بل فيزياء: كل دورة تولد وتقتل نقاط التلامس التي يمر عبرها التيار.

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.

البخار المتصاعد فوق معدن ساخن مشهد مألوف في المطبخ. لكن إذا استخدمنا الروبيديوم بدلًا من الماء، تتحول هذه السحابة إلى بطارية. لا تعمل بالتفاعلات الكيميائية، بل بالتناسق الكمي بين الذرات. في التجربة، وُضعت سحابة بخار تحتوي على تريليون ذرة روبيديوم (فلز قلوي مشابه للصوديوم) في خلية زجاجية.

الماء، الذي يُفصَل بالكهرباء إلى هيدروجين وأكسجين، هو حلم قديم للوقود النظيف. لكن فقاعات الغاز الصغيرة تقف في الطريق: فهي تلتصق بالأقطاب الكهربائية مثل الرغوة على جدران كوب المشروب الغازي، وتعيق التيار عن أداء عمله. كل فقاعة من هذه الفقاعات هي بمثابة سدادة صغيرة تحجب جزءًا من السطح حيث يجب أن يحدث التفاعل. قرر العلماء النظر في ما سيحدث إذا رفعنا الضغط في الجهاز.

في البطاريات الكمومية، يمكن تسريع الشحن إذا أُعيد ترتيب خطواته في الزمن مثل قطع الأحجية. فبدلاً من النمو المنتظم للطاقة، تحدث انفجارات حادة في الكفاءة، مثل مستعرات عظمى مجهرية داخل الذرات. وتتكرر هذه الدفقات بدقة النجوم النابضة الكونية، لكن بمعدل أسرع بمليارات المرات.

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.

تعمل البطارية الكمومية كإسفنجة تمتص الضوء، لكنها لا تطلقه دون عصرها بقوة. كان الإلهام من مصائد الطاقة الشمسية الطبيعية للبكتيريا: إذ تلتقط فوتونات الشمسية وتنقل الطاقة بلا ضياع يُذكر، كما أثبت المطيافية. أعاد الفيزيائيون هذه الآلية بجمع الذرات في حلقة ووضعها داخل مرنان مرآوي.

البطارية الليثيومية تشبه منزلاً فيه مخزن: عند الشحن، يدخل الليثيوم إلى الداخل، وعند التفريغ يخرج. ولكن إذا امتلأ المخزن بالفوضى، يبقى جزء من الليثيوم في الداخل إلى الأبد. ويعتمد مقدار الليثيوم الذي يعود على المعدن الذي صنعت منه جدران المخزن. أخذ مؤلفو الدراسة أربعة معادن: الألومنيوم، والمغنيسيوم، والفضة، والنحاس. كل واحد منها يمتص الليثيوم بطريقته الخاصة.

هاتفان ببطاريتين متماثلتين: أحدهما يُشحن في قبو بإشارة ضعيفة — فتسير العملية أبطأ. نسبة الشحن هنا تؤدي دور عقرب الساعة. انتقل الفيزيائيون بهذا المنطق نفسه إلى العالم الكمومي. ساعتهم هي بطارية مجهرية تُراكم الطاقة. تعتمد سرعة الشحن على «نمط» كمومي خفي — تماماً كمفتاح تبديل.

في البطارية العادية، يكون الإلكتروليت سائلاً، وتتحرك الجسيمات المشحونة (الأيونات) بحرية. أما في النسخة الصلبة، فإنها تندفع عبر "ممرات" ذرية، مثل المشاة في ممرات ضيقة. لكي تعمل البطارية بسرعة، نحتاج إلى مادة ذات موصلية أيونية جيدة. لكن البحث عن هذه المواد بشكل أعمى هو سنوات من التجربة والخطأ.

الخلية مدينة تعمل فيها محركات صغيرة بلا توقف. فهي تنقل البضائع، وتحرك الأهداب، وتجعل العضلات تنقبض. كل هذا العمل يطلق حرارة، تمامًا كما يسخن محرك السيارة. لكن قياس هذه الحرارة من محرك فردي بحجم بضعة نانومترات ليس بالمهمة السهلة. النمذجة العشوائية تساعدنا على النظر إلى هذا العالم.

البطارية الكمومية هي جهاز يخزن الطاقة في الحالات الكمومية للجسيمات. في العمل الجديد، تمت نمذجة البطارية بزوج من الكيوبتات (qubits) — أصغر ناقلات المعلومات، التي يمكن أن تكون في حالة "صفر" أو "واحد" أو خليط منهما. كيوبت واحد يخزن الطاقة، والثاني يعمل كجهاز شحن متصل بالبيئة الخارجية — الخزان.

المنغنيز هو طوب الجدار، والزنك ضيف يأتي وينحشر بينها. إذا جلس الضيف بشكل غير مريح، فإنه يدفع الطوبة خارج البناء. هذا ما يحدث تقريبًا في بطارية الزنك-أيون: أثناء التفريغ، تندمج أيونات الزنك في الشبكة البلورية لأكسيد المنغنيز، ويبدأ المنغنيز بالتسرب إلى المحلول. حسب العلماء مدى ملاءمة الطاقة لمغادرة المنغنيز لمكانه، ووجدوا أنه في الطور المفرغ (ZnMn$$_2$$O$$_4$$) يحدث ذلك بسهولة.

منذ زمن غاليليو غاليلي، كان يُعتقد أن جميع الأجسام في الفراغ تسقط بتسارع متساوٍ، بغض النظر عن كتلتها. وقد رفع ألبرت أينشتاين هذه الملاحظة إلى مبدأ أساسي: فالتفاعل الجاذبي ينتشر بسرعة الضوء الأساسية سرعة الضوء ويمثل انحناء الزمكان انحناء الزمكان — هندسة تحدد حركة المادة.

الألماس ليس مجرد حليٍّ للزينة. فهذه البلورة قادرة على توصيل الكهرباء عندما تظهر فيها حاملات شحنة حرة: إلكترونات وثقوب. ولكن ما مدى سرعة حركتها؟ في الأوراق العلمية، تختلف الأرقام بعشرات المرات. مختبرٌ ما يبلغ عن سرعة مقدارها 1000 سم²/(فولت·ثانية)، بينما يذكر آخر 4000. لماذا هذه الفوضى؟ قامت مجموعة من الباحثين بجمع بيانات من منشورات عديدة ووجدت ثلاثة أسباب رئيسية للارتباك.

قطعة كروم في الهواء تُغطى خلال دقيقة بدرع غير مرئي — طبقة أكسيد. تحمي هذه الطبقة المعدن من الصدأ، لكنها كارثة للبطارية: فهي لا تسمح بمرور أيونات الكروم، فلا يتدفق التيار. مزج العلماء خمسة معادن — الكروم والبزموت والنحاس والقصدير والنيكل. فنتجت سبيكة يتشكل عند أكسدتها ليس درع متصل، بل فسيفساء من أكاسيد مختلفة.

بعد الحقن تحت الجلد، لا ينتشر الدواء ببساطة مثل الحبر في الماء. تحمل جزيئات الأجسام المضادة شحنة كهربائية، وهذه الشحنة تجعلها تتفاعل مع الأنسجة المحيطة — تمامًا كما يجذب المغناطيس برادة الحديد أو يبعدها. بعض الأجسام المضادة مشحونة إيجابًا وبعضها سلبيًا، ويعتمد على ذلك مدى سرعة وصولها إلى الأوعية الدموية وبدء تأثيرها.

أوركسترا بلا قائد، حيث لا يسمع كل عازف سوى صدى القاعة، قادرة على تأليف لحن قوي. هكذا تعمل البطارية الكمومية: جسيمات عديدة مغمورة في وسط دافئ لا تبدد الحرارة، بل تتبادلها بشكل متزامن. بدلًا من الفوضى، ينشأ شحن منتظم. الوسط نفسه هو الوسيط: الجسيمات تمتصه وتشعه بتناغم. ينشأ صدى جماعي يحول الارتعاش الحراري إلى عمل مفيد.

مقياس الحرارة المغمور في عينة ما يخبرنا عادةً بدرجة الحرارة فقط. لكن إذا كانت درجة الحرارة تتأرجح قليلًا، واستجابت العينة بتأخّر، فإن هذه الاستجابة تخفي أكثر من ذلك: الجزء التخيلي من السعة الحرارية، والذي تبيّن أنه قادر على سماع صدى الزمن الكمومي.

البطارية الكمومية ليست صندوقاً فيه إلكتروليت، بل حفنة من الذرات أو الدوائر فائقة التوصيل، تُخزن الطاقة في حالات مثارة. يمكن شحنها في أجزاء من الثانية باستخدام التأثيرات الكمومية الجماعية. لكن بمجرد أن تجد البطارية نفسها في العالم الحقيقي، تبدأ الطاقة بالتسرب على شكل حرارة: الإنتروبيا القصوى (ergotropy)، أي أقصى شغل يمكن استخراجه من حالة كمومية، تتبدد بشكل غير قابل للعكس.