كوبرات

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.

كانت خرائط الكنز القديمة تُرسم بناءً على إشاعات: فمن وجد ذهبًا عند النهر، ومن وجده في الجبال، وكان كلٌّ يحفر في مكانه. حدث شيء مشابه مع الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة: وُجدت الكوبرات في مركبات معينة، وبكينتيدات الحديد في أخرى، والنيكيلات في ثالثة، دون وجود خريطة موحدة.

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.

الموصل الفائق هو مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان، تمامًا كالماء الجاري في أنبوب أملس تمامًا. في الموصلات الفائقة النحاسية، المعروفة باسم الكوبرات (cuprates)، تعمل الإضافات الدقيقة من الأكسجين كمقبض للتحكم في الصوت: زيادة طفيفة تجعل المادة تنتقل إلى حالة التوصيل الفائق، ونقصان طفيف يفقدها هذه الخاصية.

في أرشيفات الكيمياء، حُفظت سجلات عن مواد لم تكن تُعتبر جديرة بالاهتمام لفترة طويلة. لكن بينها كانت تختبئ مواد ثنائية الأبعاد — طبقات بلورية بسماكة ذرة واحدة فقط، تتميز بقوة عالية وخواص إلكترونية غير عادية. طبق الباحثون بحثًا حاسوبيًا على قواعد البيانات البلورية، وكشف الخوارزم عن 38 مرشحًا لم يكن معترفًا بها سابقًا كمواد ثنائية الأبعاد. المواد ثنائية الأبعاد هي طبقات بسماكة ذرة واحدة.

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.

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.

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.

تُبرَّد قطعة من المعدن إلى مائتي درجة تحت الصفر، فيبدأ التيار الكهربائي بالجريان عبرها دون أدنى احتكاك — كما لو أن الماء في أنبوب يتدفق دون أن يلامس الجدران. هذا السلوك يُسمى الموصلية الفائقة. لفترة طويلة، بحث العلماء عنها في النيكلات — مركبات النيكل والأكسجين، المشابهة في بنيتها للموصلات الفائقة الكوبراتية الشهيرة.

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.

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.

عائلة النيكلات هي بلورات طبقية تشبه كومة من الفطائر: طبقات النيكل والأكسجين تتناوب مع طبقات اللانثانوم. قبل عامين اكتُشف فيها الموصلية الفائقة — القدرة على توصيل التيار دون مقاومة عند التبريد. لكن بيانات المختبرات المختلفة تباينت وكأن كل مختبر يقيس مادة مختلفة. قررت مجموعة من الباحثين معرفة السبب.

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.

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.

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.

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.

شطيرة، حيث بدل الخبز طبقات من أكسيد النحاس، وبينها طبقة رقيقة من أيونات السترونشيوم. هذا هو الكوبرات ذو الطبقات اللانهائية، أبسط أنواع السيراميك فائق التوصيل، الذي ابتُكر قبل ما يقرب من 40 عامًا. فيه كل ما يلزم للموصلية الفائقة: شبكات مربعة منتظمة من النحاس والأكسجين، تفصلها ذرات فاصلة.

الموصل الفائق ينقل التيار دون مقاومة — مثل الماء الجاري في أنبوب دون احتكاك. السر يكمن في أزواج الإلكترونات: إلكترونان يلتصقان معًا ككيان واحد، رغم أنهما عادةً يتنافران. في الموصل الفائق العادي، يتجه لَفّا الإلكترونين في الزوج إلى اتجاهين مختلفين — وهذه حالة مفردة (singlet). يمكن تشبيهها بمتزلجين فنيين يدوران ظهرًا لظهر.

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، أجرى علماء الفلك تحليلًا كيميائيًا للقنطور تشيرون — وهو جرم جليدي من أطراف النظام الشمسي. اتضح أن نشاطه الغازي يشبه معجنات متعددة الطبقات. يتبخر ثاني أكسيد الكربون من السطح، مكونًا قشرة علوية. وعلى عمق أعمق قليلاً، مثل الحشوة، ينبعث الميثان.

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.

جسر من صفّين من الألواح الخشبية ينحني تحت أقدام المارة — وكل خطوة تتلقى مساعدة من الحركة المرنة للسطح. مبدأ مشابه يكمن وراء الموصلية الفائقة: تنزلق الإلكترونات دون مقاومة لأن الشبكة الذرية تتكيف معها بنفسها. في المواد القائمة على النيكل، لم تكن هذه الصورة تتشكل لفترة طويلة. إضافة الإلكترونات كادت أن تطفئ الموصلية الفائقة بدلاً من تقويتها.

ملعب مكتظ: الجماهير تتحرك بعشوائية، مسببة زحامًا ومقاومة. هكذا تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي. في الموصلية الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك بشكل متزامن — مثل متفرجين يمسكون بأيدي بعضهم ويغادرون المدرجات بهدوء، دون فقدان للطاقة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذا النظام يتطلب برودة شديدة ومواد خاصة مثل الكوبرات.

بلورة La3Ni2O7 تشبه كعكة طبقات، حيث تتناوب حشوة من ذرات النيكل والأكسجين مع طبقات من اللانثانم. عند الضغط العادي، لا يوصل التيار بدون مقاومة، ولكن بمجرد ضغطه أو زراعته كغشاء رقيق، تظهر موصلية فائقة عند درجات حرارة عالية. لفهم كيفية عمل ذلك، يجب فهم السلوك المغناطيسي لذرات النيكل في الحالة غير المضغوطة الأصلية.

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.

البلورة كالمدينة: إذا كانت الشوارع معوجة، تتعطل الحركة. في البلورة، تلعب الصفوف الذرية دور الشوارع، والحركة هي تدفق الإلكترونات. أي تفاوت بسيط، أو شائبة، أو إزاحة ذرة يجعل الإلكترونات تتبعثر. تعلم علماء من عدة مختبرات زراعة بلورات بحيث تصبح "الشوارع" مستقيمة بشكل شبه مثالي. الطريقة تسمى النقل الأفقي للمادة. تُنقل المادة ببطء على طول السطح، وتتاح للذرات فرصة لاحتلال أماكنها الصحيحة.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، بينما يحاول قائد الأوركسترا التقاط اللحن العام. هكذا تقريبًا ينظر الفيزيائيون إلى الإلكترونات في الكوبرات (cuprates) — مواد سيراميكية توصل التيار دون مقاومة عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة النيتروجين السائل. الأبطال الرئيسيون هم ذرات النحاس والأكسجين. تقفز الإلكترونات بينها، وتتفاعل، وتُحدث تأثيرًا مذهلًا.

عندما تضغط على مفتاح الإضاءة، لا يضيء الضوء فورًا — تحتاج الإلكترونات في الأسلاك إلى وقت «لتتأرجح» وتنطلق معًا. في المعادن وأشباه الموصلات العادية، يكتسب التيار قوته تدريجيًا، مثل الماء في خرطوم عند فتح الصنبور للتو. لكن في مواد تُسمى أشباه الفلزات ذات الهندسة الكمومية، الأمر مختلف تمامًا: بمجرد تطبيق المجال، تنطلق الإلكترونات وكأنها بأمر «انطلق!» دون أي إحماء.

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.

الموصل الفائق هو مادة تفقد مقاومتها الكهربائية عند التبريد الشديد: يمر التيار فيها دون فقدان. أخذ العلماء بلورة طبقية من PdTe2، تشبه كومة من أوراق، وبرّدوها إلى درجة حرارة أقل من 1.8 كلفن (أي حوالي -271°م). في هذه الظروف يصبح PdTe2 موصلًا فائقًا.

داخل الموصلات الفائقة النحاسية — وهي مواد توصل التيار بدون فقدان عند درجات حرارة مرتفعة بشكل غير متوقع — توجد طور خفي. يتصرف هذا الطور كمعدن عادي، لكنه لا يظهر في القياسات القياسية. جمع العلماء بيانات من جميع أنحاء العالم عن جميع الموصلات الفائقة النحاسية المعروفة ووجدوا أنه تحت درجة حرارة معينة (خط الفجوة الزائفة) تنتقل المادة دائمًا إلى هذه الحالة المعدنية الخفية.

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.

سلك رفيع من مادة جديدة ينقل الكهرباء دون فقدان إذا تم تبريده إلى ثلاث درجات فوق الصفر المطلق. الأمر يشبه الماء الذي يتدفق في أنبوب دون أن يواجه احتكاكًا بجدرانه. المادة تُدعى PtPb3Bi، وخصوصيتها تكمن في بنيتها الداخلية التي تشبه حزمة خيوط: الإلكترونات تجري بحرية على طول الخيط، لكنها تجد صعوبة في القفز بين الخيوط.

بلورة مركب اليورانيوم UTe2 تشبه كعكة طبقات، حيث تتدفق الإلكترونات دون مقاومة. لكن إذا نظرت إلى سطحها بالمجهر، ترى تموجات — مثل الأمواج على الماء عندما تُلقى حصاة. هذه الموجات ليست من الماء، بل من الشحنة الكهربائية: تتجمع الإلكترونات تارة بكثافة وتارة بتخلخل، مكوّنة نمطًا دوريًا. قام العلماء بتبريد العينة، وتطبيق مجال مغناطيسي، وتغيير البلورة نفسها.

في الرنان فائق التوصيل، لا ينعكس الضوء فحسب — بل يحتضن الكيوبت بقوة بحيث لم يعد من الممكن وصف رقصتهما المشتركة بالكتب المدرسية القديمة. أخذ الباحثون سلكًا نانويًا من زرنيخيد الإنديوم، وصنعوا منه كيوبتًا فائق التوصيل، ووضعوه في رنان ميكروويف.

قطعة من تيلوريد الفضة والأنتيمون تشبه الإسفنجة: فهي تمتص الحرارة بسهولة وتحولها إلى كهرباء. تُسمى هذه المواد بالمواد الحرارية الكهربائية، وهي تعمل بالفعل في المسابير الفضائية وثلاجات السيارات. لكن إذا ضغطت هذه الإسفنجة، فإنها تبدأ في التصرف كموصل فائق — يتدفق التيار دون أدنى مقاومة.