تيار حرج

ضبط مستقبل راديو على محطة يتغير ترددها عند عبور حد طوري، هكذا يمكن تصور المهمة التي واجهت الباحثين. في معدن YbRh2Si2 تتصرف الإلكترونات كجسيمات «ثقيلة»: كتلتها الفعالة أكبر بمئات المرات من كتلة الإلكترون الحر.

ثقب أسود صغير يخترق سحابة هيدروجين فيمدد الذرات كما لو كانت حلوى مطاطية. هكذا يبدو الموصل الفائق عندما يُحتجز فيه تيار غير متبدد: المادة التي يتدفق فيها الكهرباء دون فقدان تتحول إلى مغناطيس دائم مصغر.

الكاشف فائق التوصيل يعمل عادةً كمسطرة أمينة: يمتص فوتونًا فيصدر نبضة، سعة تتناسب تناسبًا صارمًا مع الطاقة. هذا الوضع مريح، لكن له سقف: الإشارة الضعيفة تضيع بسهولة في ضجيج المضخم. الآن لنتخيل أرجوحة. طالما تتأرجح بها بلطف، فإنها تعود بطاعة إلى النقطة السفلية.

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.

داخل مغناطيس جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، يتدفق التيار في حلقة فائقة التوصيل مغلقة — مثل الماء الذي يدور في دائرة داخل دلو، بعد أن يُلف ليستمر في الجريان من تلقاء نفسه.

أنبوب الماء: كلما كان أوسع، مرّت كمية أكبر من الماء. وفي التلامسات فائقة التوصيل — وصلات جوزيفسون (جسور يمر عبرها التيار دون مقاومة) — الأمر عادةً كذلك: كلما كانت الموصلية أفضل في الحالة العادية، كان التيار فائق التوصيل المار عبرها أكبر.

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.

تخيّل ممرًا جبليًا يربط بين واديين. في أحد الواديين، يكون البروتين في حالة مطوية ووظيفية، وفي الآخر يكون في حالة غير مطوية وفوضوية. للانتقال من شكل إلى آخر، يجب على الجزيء أن يجتاز نقطة السرج — أعلى نقطة في المشهد الطاقي. في علم البروتينات، تُسمى هذه النقطة الحرجة بالحالة الانتقالية، والإحداثي الذي يصف تقدم التفاعل والمسافة إلى تلك السرج يُسمى المُلتزم (committor).

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.

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.

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.

مئة ملي ثانية — لحظة يكاد فيها الضوء أن يقطع ثلاثين ألف كيلومتر. لكن بالنسبة لشبكة الطاقة التي تعرضت لصاعقة أو قصر دارة، تصبح هذه الفترة هي الحد الفاصل بين الاستقرار والانهيار. خلال هذه الأجزاء من الثانية، إما أن تخمد سلسلة التذبذبات أو تهز الشبكة حتى تفقد استقرارها.

عزفت أوركسترا من مليارات ذرات السيزيوم نغمة واحدة — واستمرت في الرنين لمدة 17 ساعة دون أن تخفت. وهذا ليس مبالغة: فقد صنع فيزيائيون صينيون بلورة زمنية مستمرة بعمر قياسي. البلورة الزمنية هي نظام يكسر تناظر الزمن، وينبض تلقائياً بإيقاع ثابت لا يتغير. الساعات العادية تحتاج إلى تعبئة؛ أما هنا فإن تجمع الذرات نفسه يولّد اهتزازات غير متلاشية.

الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي خصمان أزليان: يندفع المجال كإعصار يمزق التزاوج الرقيق لأزواج كوبر، ويدمر النظام. لكن في المواد ذات الترابطات الإلكترونية القوية، حيث ترقص الجسيمات وكأنها في مينويت معقد من التجاذب والتنافر، تتحول العداوة أحيانًا إلى تحالف. وهذا بالضبط ما يحدث في بلورة ثنائي تيلوريد اليورانيوم UTe2.

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.

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.

شريط مطاطي يزداد سُمكًا كلما شددته بقوة أكبر. في الكهرباء، يُسمى هذا السلوك بالسعة السالبة: كلما زادت الشحنة المتراكمة على اللوحين، انخفض الجهد. أما المكثف العادي فيعمل بالعكس — يرتفع الجهد مع ازدياد الشحنة. تبشّر السعة السالبة بتوفير هائل للطاقة في الرقائق الدقيقة، لكن من الصعب الحصول عليها بشكل نقي.

كرة صغيرة كتلتها أجزاء من الملليغرام، معلقة في مجال مغناطيسي ومبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تؤدي اهتزازات متواصلة لمدة 110 ساعة دون توقف — وهذا مستوى قياسي من العزل عن البيئة الخارجية.

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.

الموصل الفائق لا يسمح للمجال المغناطيسي بالدخول إلى داخله. ولكن إذا كان المجال قوياً، فإنه يخترق المادة، ليس كتدفق متصل، بل كخيوط دوامية منفصلة تشبه الأعاصير الصغيرة. داخل كل خيط، تكون الموصلية الفائقة مدمرة، وحوله يتدفق تيار لا يخمد. هذه الخيوط لا تبقى ثابتة: فهي قد تتحرك تحت تأثير التيار، وعندها يفقد الموصل الفائق خصائصه الرائعة.

ضفتان فائقتا التوصيل تربطهما جسر من مادة مغناطيسية. داخل الجسر يوجد جدار المجال المغناطيسي: حد ضيق تنعطف عنده المغنطة كما ينعطف صف من الجنود عند تغيير اتجاه الخطوة. التيار الذي يمر عبر هذا الجسر لا يتصرف مثل نهر هادئ، بل مثل تيار يلتف حول عائق: فهو يلتف في حلقات ويغير شدته.

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.

عادةً ما يعمل التيار في المعدن مثل الماء المغلي على الجليد: فهو يسخن المادة ويدمر النظام المغناطيسي. لكن في بنية طبقية من ثنائي تيلوريد التنجستن والمغناطيس الحديدي Fe3GeTe2، يتصرف التيار بشكل مختلف. فهو لا يسخن، بل يحرض داخل الطبقة المجاورة مجالًا مغناطيسيًا إضافيًا — كما لو أنك لا تذيب الجليد بل تجمده أكثر.

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 بلورة من اليوروبيوم والزنك والفوسفور، يسلك التيار سلوك سيارة على طريق وعر. فالإلكترونات لا تندفع بحرية، بل تسحب خلفها سُحبًا مغناطيسية تُعرف بالبولارونات. في درجة حرارة الغرفة، تكون هذه السُحب متفرقة، لكن عند التبريد تندمج في كتلة متصلة، مما يبطئ التيار بشكل حاد.

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.

تعتبر الطاقة المظلمة خاصية فطرية للكون، تعمل منذ اللحظات الأولى. لكن نموذجاً جديداً يفترض أنها تصرفت كالماء على أعتاب الغليان: بقيت غير ملحوظة لزمن طويل، ثم فجأة بدأت تعمل في لحظة حرجة. يُطلق على هذا السيناريو 'التنشيط المتأخر': فقبل حوالي 5-7 مليار سنة حدث انعطاف، وتسارع تمدد الكون. ساعدت ثلاث علامات إرشادية في اختبار الفكرة.

الحاسوب الكمومي مثل أوركسترا، حيث يجب على كل عازف أن يعزف نغمته دون نشاز. لكن الكوبيتات فائقة التوصيل تعاني من مشكلة شائعة: تتراكم شحنات عشوائية على أقطابها، فتنزلق "النغمة". يسمي المهندسون هذا انجراف انحياز الشحنة — وعادة ما يقاتلونه لسنوات.

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.

الموصل الفائق هو مادة، عند تبريدها بشدة، توصل التيار دون فقدان، مثل الماء الذي يتدفق في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا ضربته بومضة ضوئية قصيرة، فإنه يفقد هذه الخاصية بسرعة. في التجربة الجديدة، أضاء العلماء غشاءً رقيقًا من نيتريد النيوبيوم وقاسوا خلال كم جزء من مليار من الثانية تختفي الموصلية الفائقة.

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.

الذاكرة العادية في الحاسوب تستهلك الطاقة باستمرار لتخزين الأصفار والواحدات. أما الموصلات الفائقة فتنقل التيار دون أي فقدان — فإذا صُنعت منها ذاكرة، فإنها لن تستهلك الكهرباء تقريبًا. المشكلة أن الموصلات الفائقة لا تعرف كيف تتذكر: حالتها تتغير بسهولة شديدة. بلورة يورانيوم-ثنائي تيلوريد كانت استثناءً.

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.

قضيب معدني من خمسة معادن مختلفة — الهافنيوم والنيوبيوم والاسكنديوم والتيتانيوم والزركونيوم — موضوع داخل فرن. بعد تسخينه إلى 600 درجة، تظهر داخله مناطق تشبه نمطًا من معدنين مختلطين، مثل عروق الرخام. هذه المناطق بالتحديد هي التي تجعل السبيكة بأكملها تنقل التيار الكهربائي دون فقدان عند درجة حرارة منخفضة جدًا — حوالي −263 درجة مئوية.

داخل بعض المواد، يتدفق التيار الكهربائي دون أدنى مقاومة. هذه هي الموصلات الفائقة، وهي تعمل فقط عند البرودة الشديدة. أكاسيد النحاس حالة خاصة: فهي تحافظ على التوصيل الفائق عند درجات حرارة أعلى، لكن السبب يظل لغزًا منذ أربعين عامًا. درس الفيزيائيون عينة من La$$_{2-x}$$Sr$$_x$$CuO$$_4$$ باستخدام شعاع أشعة سينية يشتت على الإلكترونات ويُظهر حركاتها الجماعية.

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.