زوج كوبر

في قاعة كبيرة، تقف شوكتان ضبطيتان على حاملين دوارين. كل واحدة مضبوطة على نغمة معينة، لكن إذا أُدير الحاملان بالزاوية المناسبة، تبدأ الشوكتان بالعزف بتناغم، متبادلتين الاهتزازات عبر الهواء. في تجربة من مختبر التقنيات الكمومية، لعب دور الشوكتين شريطان من البيرمالوي، وهي سبيكة من النيكل والحديد يسهل مغنطتها وإزالة مغنطتها.

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.

راقصان على مسرح واحد: المثلث والخط. في غاز كمي من ذرات الديسبروسيوم، مبرَّد إلى 62 نانوكلفن، التقت هاتان البنيتان المكانيتان لأول مرة في تجربة واحدة. يُحتجز الغاز في مصيدة تشبه لوح ركوب الأمواج، وذراته من بين الأكثر مغناطيسية في الجدول الدوري. عزومها المغناطيسية أقوى بعشر مرات من ذرات الفلزات القلوية العادية، لذا تشعر الذرات ببعضها عن بُعد، مثل مغناطيسات صغيرة.

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.

في مسرّع مختبر جيفرسون، تصطدم حزمة من الفوتونات — كوانتات الضوء — بالبروتونات، وينتج عن التصادمات جسيمات قصيرة العمر تُعرف بميزونات أوميغا. تعيش هذه الجسيمات أقل من جزء من مليار من الثانية، لكنها تنجح في إخبارنا عن طبيعة القوى داخل النواة الذرية. سجّل الفيزيائيون الزوايا التي تتطاير بها هذه الميزونات وكيفية دورانها — تمامًا كقمة دوّارة تُطلق في اتجاهات مختلفة.

السائل الكمومي المغزلي هو حالة غريبة من المادة، حيث تتصرف العزوم المغناطيسية للذرات (اللفائف المغزلية) مثل سائل: فهي تتقلب باستمرار ولا تتجمد في بنية منتظمة حتى عند درجات حرارة منخفضة للغاية درجات الحرارة. واحدة من أشهر النماذج النظرية لهذه الحالة اقترحها الفيزيائي أليكسي كتاييف.

السائل الكمومي المغزلي هو حالة غريبة من المادة، حيث تتصرف العزوم المغناطيسية للذرات (اللفائف المغزلية) مثل سائل: فهي تتقلب باستمرار ولا تتجمد في بنية منتظمة حتى عند درجات حرارة منخفضة للغاية درجات الحرارة. واحدة من أشهر النماذج النظرية لهذه الحالة اقترحها الفيزيائي أليكسي كتاييف.

لنأخذ طبقتين رقيقتين من أشباه الموصلات. الأولى مشبعة بالإلكترونات الحرة — كمقهى مزدحم حيث كل طاولة مشغولة. والثانية، على العكس، مليئة بالأماكن الفارغة — «الثقوب» التي تتوق إلى الامتلاء. عندما تُقرَّب هاتان الطبقتان من بعضهما، تقفز بينهما شرارة جذب: تبدأ الإلكترونات والثقوب بالإحساس ببعضها عبر الفجوة الرقيقة.

تحمل الرياح حبوب اللقاح، وكل حبة تتحرك وكأنها مستقلة بذاتها. ولكن بمجرد أن يتحول الهواء إلى دوامة، لا يمكن فصل مسارات حبوب اللقاح بعد الآن، فهي متشابكة. هذا تقريبًا ما تفعله الإلكترونات في المعدن الغريب: حركتها مرتبطة بشدة بالتذبذبات اللينة للوسط، لدرجة أن الجسيمات الناقلة المألوفة تختفي.

عند درجات حرارة منخفضة، تصبح العديد من المواد موصلات فائقة — حيث يتدفق التيار الكهربائي دون مقاومة. ولكن كيف ينشأ هذا السلوك إذا كانت الإلكترونات محبوسة في البداية في عازل؟ قبل نصف قرن، افترض فيليب أندرسون أن الإجابة تكمن في رقصة كمومية خاصة للجسيمات.

الموصل الفائق يشبه سلكًا مثاليًا — يمر فيه التيار دون أي فقد. لكنه يتطلب تبريدًا شديدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن عن مواد تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق هو ألا ننتظر الطبيعة، بل أن نبني المادة بأنفسنا، طبقة فوق طبقة، مثل لعبة التركيب. اختبرت مجموعة من الباحثين نظرية تنبأت بظهور «قبة» فائقة التوصيل في بنى طبقية اصطناعية.

عند درجات حرارة منخفضة، تصبح العديد من المواد موصلات فائقة — حيث يتدفق التيار الكهربائي دون مقاومة. ولكن كيف ينشأ هذا السلوك إذا كانت الإلكترونات محبوسة في البداية في عازل؟ قبل نصف قرن، افترض فيليب أندرسون أن الإجابة تكمن في رقصة كمومية خاصة للجسيمات.

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.

قطرة بعد قطرة من الصنبور — أو تيار منتظم دون أي تموج. هكذا يبدو النمطان من التيار في وصلة فائقة التوصيل تقريباً. لكن دور الماء تلعبه أزواج كوبر — إلكترونات مرتبطة تتحرك دون مقاومة. في أحد الحدين، تتسرب الأزواج واحداً تلو الآخر، مثل قطرات نادرة: التيار يسري لكن مع خسائر. وفي الآخر، تتدفق كتيار واحد دون أي احتكاك.

قطرة بعد قطرة من الصنبور — أو تيار منتظم دون أي تموج. هكذا يبدو النمطان من التيار في وصلة فائقة التوصيل تقريباً. لكن دور الماء تلعبه أزواج كوبر — إلكترونات مرتبطة تتحرك دون مقاومة. في أحد الحدين، تتسرب الأزواج واحداً تلو الآخر، مثل قطرات نادرة: التيار يسري لكن مع خسائر. وفي الآخر، تتدفق كتيار واحد دون أي احتكاك.

في الموصلات الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتدفق دون مقاومة. عادةً، تكون هذه الأزواج موزعة بشكل منتظم، مثل الماء في بحيرة هادئة. لكن في بعض الأحيان، يظهر تموج في المادة — تتكاثف الأزواج وتتخلخل بخطوة محددة. هذه الحالة تُسمى موصلية فائقة بموجة كثافة الأزواج.

الإلكترونات في المادة الصلبة عادةً إما تتحرك بحرية (معدن) أو تكون محبوسة في مكانها (عازل). لكن أحيانًا، التنافر المتبادل القوي يحبسها في حالة نصفية: الشحنات ثابتة، بينما السبينات — الأسهم المغناطيسية الصغيرة — تواصل حياتها الخاصة. يُسمى هذا عازل موت. مؤلفو العمل الجديد بنوا سلسلة ذرية أحادية البعد من نوعين — A و B.

أقراص عسل مملوءة بـ«عسل» الإلكترونات. في الحالة العادية تتحرك الإلكترونات بشكل عشوائي، لكن عند التبريد الشديد قد تتحد في أزواج — وهكذا تولد الموصلية الفائقة. شكل هذه الأزواج، أو تماثل الاقتران، يحدد خصائص المادة: بعضها يرقص الفالس، وبعضها يرقص الفوكستروت.

يحاول المترجم أن يلتقط همس شخصين في قاعة صاخبة. تقريبًا هذه هي المهمة التي يواجهها الفيزيائيون عندما يريدون فهم كيف تتحد الإلكترونات في أزواج داخل الموصل الفائق. وإذا كانت "القاعة" أيضًا مضغوطة بمكبس هائل إلى ضغوط تصل إلى مئات الآلاف من الأجواء، تبدو المهمة مستحيلة. وجد مؤلفو العمل الجديد حلاً ذكيًا. وضعوا بلورة صغيرة جدًا في غرفة ضغط عالٍ—بحجم كف اليد — وقاموا بتوصيل سلك ذهبي رفيع بها.

مجال مغناطيسي شدته 42 تسلا — أقوى بنحو مليون مرة من مجال الأرض. في مثل هذا المجال، تتصرف بلورة SrCu₂(BO₃)₂ بشكل غير اعتيادي: فمغنطتها لا تزداد بتدرج سلس، بل تقفز قفزاتٍ، متوقفةً عند قيم محددة. كان يُعتقد سابقًا أن هذه الهضاب تنشأ عندما تصطفّ لفات الإلكترونات (إبرها المغناطيسية الصغيرة) وفق نمط هندسي صارم — مثل جنود في طابور.

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).

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.

يسقط الضوء على جزيء عضوي — فيولد داخله زوج من التوأمين المثارين. يطلق عليهما اسم الأزواج الثلاثية. في جزيئات البنتاسين المنفردة، تعرف هذه الأزواج منذ زمن كيف تتقاسم طاقتها مع الجيران — وهذا أساس الانشطار المفرد الذي يرفع كفاءة الخلايا الشمسية.

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.

القلب أحياناً يخرج عن إيقاعه — مثل أوركسترا تبدأ فيها آلات الكمان فجأة بالعزف كلٌّ على هواه. في مثل هذه الحالات، يبحث أطباء القلب عن المناطق «الخارجة عن النغمة» من خلال قراءة الإشارات الكهربائية للقلب، ويكوونها بدقة باستخدام مسبار رفيع — القسطرة. لكن هناك إزعاج: أداة الاستماع (الخريطة الكهربائية) وأداة الكي هما قسطرتان مختلفتان، ويجب إدخالهما إلى القلب بالتناوب عبر الأوعية الدموية. حركات زائدة، ووقت إضافي.

في الماء المغلي الماء يمكن رؤية نموذج أولي للخدعة الكمومية: إذا حوّلنا جزءاً من السائل إلى فقاعات بخار طويلة العمر، فإن الكتلة الرئيسية تبرد. هذا بالضبط ما يحدث عند توجيه ضربة حادة لنظام من الإلكترونات المتفاعلة: تظهر الدوبلونات — أزواج من الجسيمات تمتص الطاقة الزائدة ولا تتفكك لمدة طويلة بشكل مذهل.

بلورة صغيرة من ذرات مشحونة محاصرة في مصيدة ترتجف من الحرارة. كل أيون يهتز مثل كرة على نابض، وهذه الاهتزازات تعيق استخدام البلورة في عمليات كمية دقيقة. عادةً، تُزال الطاقة الزائدة بالليزر — حيث تضرب الحزمة الأيونات وتبطئ حركتها، مثل تيار هواء يخمد حركة البندول. لكن عندما تحتوي البلورة على عشرات الأيونات، يظهر تأثير غير متوقع.

في ممر طويل، يحاول حشد من الناس الابتعاد عن بعضهم البعض. في قاعة واسعة لكانوا تفرقوا ببساطة، لكن هنا تضغط الجدران بحيث يضطرون إلى التحرك في صف واحد، منسقين كل خطوة. بطريقة مماثلة تتصرف الإلكترونات في طبقات الغرافين الملفوفة بزاوية صغيرة جداً بالنسبة لبعضها البعض. حركتها محبوسة في نطاقات طاقة شبه مسطحة حيث يسود تفاعل قوي. في هذا الزحام، يمكن للإلكترونات أن تنظم نفسها بطرق مختلفة.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف — وهو الكيوبت — أن يعزف دوره بدقة وفي الوقت المناسب. عادةً ما يُجلَس العازفون في أماكن ثابتة وتُربط بينهم أسلاك تشبه منصات القيادة.

الموصل الفائق يشبه طريقًا سريعًا مثاليًا بلا إشارات مرور: الإلكترونات تندفع دون عوائق. لكن بمجرد تطبيق جهد كهربائي، يتغير المشهد. في تجربة جديدة، اكتشف الفيزيائيون أن المجال الكهربائي يخترق الموصل الفائق ويخلق بداخله نمطًا مختلطًا.

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.

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.

العالم الكمومي مليء بالمفاجآت. في مذبذب كير البارامتري — وهو جهاز يُحبس فيه الضوء في حلقة ويتأرجح بفعل مجال خارجي — لاحظوا مؤخرًا أمرًا غريبًا: أزواج من مستويات الطاقة تندمج في عناق. أطلق الفيزيائيون على هذا "القبلة الطيفية" التحليل الطيفي. اندماج المستويات هو علامة على انتقال طوري كمومي في حالة مثارة.

في المسرعات، عند تصادم النوى الثقيلة، ينشئ الفيزيائيون لفترة وجيزة بلازما كوارك-غلوون (quark-gluon plasma) — وهي حالة من المادة تكون فيها الكواركات والغلوونات غير محبوسة داخل الجسيمات، بل حرة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها غاز، لكن التجارب أظهرت أنها سائل شبه مثالي. تتحرك جسيماتها بشكل منسق، مثل الجزيئات في العسل.

في بعض المواد، يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق دون أي فقدان تقريبًا — وهذا هو الموصلية الفائقة. لكن قبل أن تصبح المادة موصلًا فائقًا، غالبًا ما تمر بحالة غريبة: الإلكترونات تشعر ببعضها البعض وتشكل أزواجًا، لكنها لا تستطيع التحرك معًا بعد. تسمى هذه المرحلة الفجوة الزائفة — وكأن المادة تجمدت في تردد قبل القفز.

تخيل ثلاثة راقصين يتحركون ككيان واحد: كل واحد منهم يشعر بالآخرين، والانسجام العام لا يختزل إلى التفاعلات الفردية. هذا التشبيه، رغم أنه يبسط الواقع الكمومي، يساعد على فهم سلوك ثلاثة جسيمات تنشأ عند اصطدام إلكترون وبوزيترون بسرعة الضوء سرعة الضوء. يتعلق الأمر بكوارك القمة كوارك القمة، وجسيمه المضاد — كوارك القمة المضاد — وبوزون Z.

باستخدام التحليل الطيفي بالليزر التحليل الطيفي — وهي طريقة يمكن تشبيهها بالاستماع إلى صدى البلورة: نبضة ضوئية تثير العينة، والاستجابة تكشف عن البنية الداخلية — درس الفيزيائيون مادة ذات طبقات.

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.

في أعماق نجم نيوتروني هائل، حيث تزن ملعقة صغيرة من المادة وزن جبل، تنضغط الكواركات إلى مسافات لا تُصدق. قبل اكتشاف هذه الأجرام بزمن طويل، حسب سوبرامانيان تشاندراسيخار حد الأقزام البيضاء، وتنبأ فريتز زفيكي بجرأة أن المستعرات العظمى تُخلف وراءها كتلًا من النيوترونات.

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.