مهبط

في الفوهات القطبية للقمر، حيث لا تصل الشمس أبدًا، قد يخزن الثرى شحنة كهربائية لعقود، مختبئة في الأعماق. الأمر أشبه بحساب بنكي لا يتطابق فيه الإيداع والرصيد: الجسيم يمنح طاقة، لكن الشحنة لا تبقى دائمًا في مكانها.

النهر يتفرع. أحد الفرعين واسع وسريع، تتدفق فيه المياه بسلاسة، لكن مع ارتفاع درجة الحرارة يتباطأ التيار: تظهر الدوامات والأمواج. الفرع الثاني ضيق، ذو منحدرات، حيث تقفز المياه من صخرة إلى أخرى. هذا التدفق، على العكس، يصبح أكثر حيوية مع التسخين. تقريباً هكذا، وفقاً لدراسة جديدة، يتصرف التيار الكهربائي في عائلة المعادن الغامضة — الأكتينيدات.

في البلورة، لا تتوزع الإلكترونات عشوائياً. تخضع موجاتها لتناظر الشبكة البلورية، مثلما تأخذ تموجات الماء شكل الحلقة التي ألقيت فيه. يُظهر العمل الجديد: في نقاط التناظر العالية، يجب أن تحتوي هذه التموجات على عقد — أماكن تكون فيها كثافة الإلكترونات صفراً تماماً. بنى المؤلفون ثابتاً رياضياً (خاصية ثابتة) استناداً إلى تمثيلات التناظر.

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.

بطارية الليثيوم تشبه مدينة صغيرة: أيونات الليثيوم هي السكان الذين ينتقلون بين أحياء الأقطاب الكهربائية، مولّدين التيار. لكن لفهم كمية الطاقة التي يمكن أن تقدمها المدينة، لا يكفي معرفة تخطيط الشوارع (بنية المادة) فحسب، بل أيضًا كيفية تفاعل السكان مع الجيران ووسائل النقل وحتى الطقس. في فيزياء البطاريات، يُطلق على هذا اسم التبادل مع الخزانات — الإلكترونية والأيونية والحرارية.

في الأجهزة الكمومية الماسية يوجد خلل صغير — مركز النيتروجين-الشاغر (ذرة نيتروجين بالإضافة إلى فراغ مكان ذرة كربون). يعمل كمفتاح يتبدل تلقائيًا بين حالتين: قد يحمل إلكترونًا إضافيًا أو لا يحمله، ويعتمد على ذلك توهجه من عدمه. لكن إذا وجدت شائبة نيتروجين قريبة، يبدأ المفتاح في عيش حياته الخاصة.

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.

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.

كرة لاصقة كبيرة، إذا ألقيت على رف مغبر، سترتد وتثير سحابة من الغبار، لكنْ إذا دُحرجت ببطء، فستجمع كل ذرة غبار. هكذا تتصرف إكسيتونات ريدبرغ - 'ذرات' عملاقة داخل البلورة، سُميت تيمناً بـيوهانس ريدبرغ. إكسيتون ريدبرغ بحجم بكتيريا - أكبر بآلاف المرات من الذرة.

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.

بطارية الليثيوم أيون تشبه مبنى متعدد الطوابق، حيث تعيش أيونات الليثيوم في كل طابق. عندما تُشحن البطارية، تنتقل الأيونات من طابق إلى آخر، ويسخن المبنى بأكمله قليلًا. عادةً ما تتوزع هذه الحرارة بالتساوي، مثلما تتوزع حرارة الأرضية الدافئة. لكن في بعض الأحيان يصبح مكان واحد حارًا جدًا — وعندها قد يشتعل المبنى بأكمله. بنى العلماء نموذجًا يُظهر كيفية انتشار الحرارة داخل البطارية.

بطارية الليثيوم تشبه الساندويتش: قطعتا خبز هما القطبان، وبينهما الحشوة وهي الإلكتروليت، الذي تتنقل عبره أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا. في البطاريات العادية تكون الحشوة سائلة، مثل الصلصة، وقد تتسرب أو تشتعل. أما في بطاريات الحالة الصلبة فالحشوة مثل شريحة جبن: لا تنساب، لكن المهم ألا تتفتت ولا تتفاعل مع الخبز.

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 بلورة تيتانات الباريوم يوجد مجال كهربائي مدمج — مثل المغناطيس الدائم، لكن للشحنات. عندما يصل وميض ضوء إلى هناك، يقتلع الإلكترونات، فتبدأ في التخبط وتصطدم بالذرات. لكن البلورة ليست متشابهة في جميع الاتجاهات: لها محور يكون فيه المجال أقوى.

خيط معدني بسمك شعرة يخترق السيراميك كما يخترق الجذر الأسفلت. في البطاريات ذات الحالة الصلبة، تُسمى هذه الخيوط بالتشعبات، وتظهر عندما يتجاوز تيار الشحن العتبة الحرجة. الإلكتروليت الخزفي صلب لكنه هش مثل الزجاج. ينمو التشعب من عيب موجود مسبقًا على السطح البيني بين المعدن والسيراميك: إذا كان فتح الشق أرخص من دفع التيار حول العائق، يترسب المعدن مباشرة على طرف الخيط.

البطارية الشمسية مثل القلب: إذا أجبرتها على النبض بإيقاع خاطئ، فإنها تتعب بسرعة. عادةً ما تُختبر الخلايا بتطبيق جهد عكسي، لكن في الحياة الواقعية، ظل ورقة أو طائر يجعل الخلايا المجاورة تمرر تيارًا غريبًا عبرها. درس مؤلفو العمل الجديد لأول مرة بالتفصيل ما يحدث عندما يُمرر تيار عكسي ثابت عبر خلية بيروفسكايت. مفتاح اللغز هو الطبقة البينية بين البيروفسكايت والقطب الشفاف.

المعدن هو بحر من الإلكترونات تتحرك بحرية تقريبًا، ولا تتصادم إلا نادرًا. لكن في بعض المواد، يصبح هذا البحر فجأة لزجًا وغير قابل للتنبؤ: تتوقف الإلكترونات عن التصرف كجسيمات مستقلة. يسمي الفيزيائيون هذه الحالة «غير فيرمي-سائلة»، وما زالت لغزًا حتى اليوم.

كرة زجاجية صغيرة تطفو في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء الشمس. بداخلها رصاص مشع يضمحل من وقت لآخر. كل اضمحلال يطرد جسيمات مشحونة، فتفقد الكرة أو تكتسب شحنة كهربائية ضئيلة. أجبر العلماء الكرة على الاهتزاز في مجال كهربائي متناوب، ومن هذه الاهتزازات حسبوا شحنتها ألف مرة في الثانية. وبجانبها كاشف يلتقط الجسيمات المنطلقة.

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.

غشاء رقيق من أشباه الموصلات بسماكة ذرة واحدة يشبه شقة مشتركة: تعيش فيه إلكترونات سالبة الشحنة و«ثقوب» موجبة الشحنة. عندما يسقط الضوء على مثل هذا الغشاء، يمكن للإلكترون والثقب أن يتحدا في زوج — إكسيتون (حالة مرتبطة من إلكترون وثقب، تشبه ذرة الهيدروجين).

في المصباح العادي، يولد الضوء عندما يلتقي إلكترون بثقب. في المادة الجديدة، يتم فصلهما عمدًا إلى جانبين، كما لو تم وضع حاجز بينهما في محطة مترو. هذا الحاجز هو مجال كهربائي داخلي ينشأ لأن ذرات الكبريت والسيلينيوم في البلورة غير متماثلة: الكبريت في الأعلى والسيلينيوم في الأسفل. هذه البلورة هي سبيكة MoSSe، نمت من خليط غازي.

في البطارية العادية يوجد قطبان: الأنود والكاثود. في البطاريات الصلبة (حيث يكون الإلكتروليت صلبًا وليس سائلًا) يسعى المهندسون إلى الاستغناء عن الأنود كقطعة منفصلة: عندها تصبح البطارية أخف ويمكنها تخزين طاقة أكبر. الفكرة هي أنه أثناء الشحن، يترسب المعدن — مثل الليثيوم أو الصوديوم — على الملامس في طبقة منتظمة، وأثناء التفريغ يذوب تمامًا عائدًا.

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.

تم溶解 قميص قديم في قلوي للحصول على هلام، وأصبح هذا الهلام قلب مخزن الطاقة. أما المكون الثاني فصُنع من الشيتوزان، وهي مادة مستخلصة من قشور الجمبري. لا معادن هنا: فقط قطن معاد تدويره ومأكولات بحرية. تم نقع الهلام في ملح الأمونيوم، فارتفعت موصليته بنحو الضعف: من 17.1 إلى 37.8 ملي سيمنز لكل سنتيمتر. الأمر أشبه باستبدال مسار ضيق للأيونات بطريق واسع — فالشحنات تتحرك أسرع.

الصوديوم هو جار الليثيوم في الجدول الدوري، لكنه أكثر وفرة في القشرة الأرضية بمئات المرات وأرخص بكثير. لذلك يمكن لبطاريات الصوديوم أن تحل محل بطاريات الليثيوم في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. المشكلة أن الصوديوم أكبر حجمًا من الليثيوم، ويجد صعوبة أكبر في اختراق الشبكة البلورية للكاثود. المادة تتعب بسرعة، وتنخفض السعة.

يقع إشعاع التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. يخترق الملابس والورق والبلاستيك، لكنه لا يخترق المعادن والماء. لذلك يُستخدم في ماسحات الأمن والتصوير الطبي. لرؤية استقطاب هذا الإشعاع، نحتاج إلى كاشف. الاستقطاب هو اتجاه اهتزاز الموجة، مثل تموجات الماء التي قد تتحرك لأعلى ولأسفل أو لليسار ولليمين. ويعتمد عليه تفاعل الإشعاع مع المادة.

قطرة ماء تجري على ورقة القلقاس كما تجري على أرضية ملمّعة. إنها لا تنزلق فحسب، بل تتراكم عليها كهرباء. قبل ثلاثين عاماً، شرح العلماء لماذا لا تبتل أوراق اللوتس: سطحها مغطى بنتوءات مجهرية يحتبس الهواء بينها. لكن الآن اتضح أن للماء على الأوراق قوة خفية أخرى. صوّر الباحثون سقوط القطرات بكاميرا عالية السرعة، وفي الوقت نفسه قاسوا شحنتها.

في الكيمياء عالمين: في أحدهما، المحفز جسيم صلب يحدث التفاعل على سطحه؛ وفي الآخر، جزيء مذاب تدور فيه الأحداث حول مركز معدني واحد. نادرًا ما يلتقي هذان العالمان، لكن في دراسة جديدة التقيا. أخذ الباحثون أكسيد الحديد — مسحوق أسود تُصنع منه أشرطة التسجيل المغناطيسية — ونثروا على سطحه ذرات مفردة من الروديوم، وهو معدن من عائلة البلاتين. ثم أطلقوا غاز الهيدروجين.

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.

حصّالة تسقط فيها العملات بسهولة، لكن لا يمكنك إخراجها إلا بكسرها. شيء مشابه يحدث مع مادة جديدة لبطاريات الصوديوم. إنها تقبل أيونات الصوديوم عن طيب خاطر أثناء الشحن، لكنها لا تُعيد شيئًا تقريبًا عند التفريغ. المادة ذات الصيغة Na4NiCr(PO4)3 تنتمي إلى عائلة NASICON — وهي هياكل إطارية حيث يمكن لأيونات الصوديوم أن تتنقل عبر شبكة ثلاثية الأبعاد من القنوات.

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.

البطاريات الكمومية، مثل أي نظام، تخضع لتأثير الإنتروبيا — الميل الأساسي نحو الفوضى الذي يتجلى في فقدان الطاقة. تخيل أسلاكًا متوازية تولد إشارات طفيلية متبادلة: وبالمثل، تخلق تلامسات البطارية مع المحيط قنوات تسرب غير مرغوب فيها. لكبح هذه التسربات، يقترح العلماء استخدام التضفير — جدل الذرات العملاقة (ذرات رايدبرج) التي تعمل في نفس الوقت كشاحن ومخزن.

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.