قياس المغناطيسية بالألماس

لا يزحف المدّ على الشاطئ بجبهة مستوية، بل بألسنة من الزبد تتّحد تارة وتتباعد تارة أخرى. والمجالات المغناطيسية داخل المواد تشبهه في ذلك: إنها تتنفّس على شكل أمواج، ولم يرها أحد من قبل كاملةً. وقد جمع فيزيائيون من برينستون جهازًا يلتقط هذه الأمواج للمرة الأولى بالطريقة التي يلتقط بها الرادار الطائرات، أي أنه يحدّد لا قوة الإشارة فحسب، بل اتجاهها وطولها وسرعتها أيضًا.

الألماس ليس مجرد حلي. داخل شبكته البلورية تختبئ عيوب تستشعر المجال المغناطيسي أفضل من كثير من الأجهزة. أحد هذه العيوب هو مركز NV، الذي يعمل كبوصلة مصغرة، لكن إبرته تهتز بسبب الحرارة والضوضاء. لكي تشير البوصلة إلى الاتجاه الصحيح، نحتاج إلى معايرة. عادةً ما تكون هذه عملية يدوية طويلة، وهنا تتعلم الشبكة العصبية بنفسها.

المصباح العادي يضيء بشكل متواصل، بينما المنارة (lighthouse) تومض بومضات قصيرة. علماء في لندن جعلوا ألماسة صغيرة تعمل كمنارة، لكن ليس للضوء، بل للموجات الراديوية. للقيام بذلك، أضافوا القليل من النيتروجين إلى الكريستال، ثم أضاءوه بليزر أخضر الليزر.

في البلورة الطبقية CrSBr، تصطف العزوم المغناطيسية للذرات مثل النوتات في المقطوعة الموسيقية: داخل كل طبقة تشير في اتجاه واحد، وبين الطبقات تشير في اتجاهين متعاكسين. هذا اللحن المضاد للمغناطيسية (antiferromagnetic) يستمر حتى 132 كلفن، وبعد ذلك تدمر الحركة الحرارية النظام. تعلم الفيزيائيون إعادة كتابة هذه المقطوعة عن طريق قصف البلورة بأيونات الهيليوم.

الهيكل المغناطيسي لبلورة EuMnSb2 يشبه السقالات: ذرات المنغنيز تشكل أعمدة رأسية صلبة، بينما ذرات اليوروبيوم تشكل عوارض متحركة. حتى الآن لم يكن هناك إجماع حول الزاوية التي تميل بها هذه العوارض في حالة السكون، وكيف تدور عندما يضغط المجال المغناطيسي على السقالات. الطرق التقليدية لم تعطِ إجابة دقيقة: ذرات اليوروبيوم تمتص النيوترونات بشدة، والإشارة تغرق في الضوضاء.

المجال المغناطيسي للأرض ليس ثابتًا؛ فهو يرتجف بسبب الرياح الشمسية، والعواصف الرعدية البعيدة، وعمل مترو الأنفاق. لملاحظة هذه الارتجافات، نحتاج إلى جهاز لا يرتجف هو نفسه. لقد صنع الفيزيائيون مثل هذا الجهاز من ذرات الإيتربيوم المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق. في الغاز العادي، تتحرك الذرات بشكل عشوائي، وتضيع إشارتها خلال أجزاء من الألف من الثانية.

مغناطيس يزن بضع حبات رمل يطفو في الهواء دون أي سند. لا يلمس الجدران، ولا يحتك بالمحامل، بل يعلق في مصيدة مغناطيسية مثل ذرة غبار في شعاع الشمس. جعل الباحثون هذه الذرة تعمل كبوصلة فائقة الحساسية: يلتقط الجهاز تغيرات في المجال المغناطيسي تبلغ 23 فيمتو تسلا.

جهاز استقبال راديوي بحجم كف اليد قادر على قياس قوة الإشارة بدقة تفوق مناضد المختبرات باهظة الثمن. لا توجد بداخله ملفات ولا هوائيات — فقط رأس زجاجي وسحابة من ذرات الروبيديوم مُبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تطفو الذرات في نقطة تقاطع أشعة الليزر، محتجزةً ليس بالمغناطيس بل بقوة الضوء — مثل ذبابة صغيرة في قطرة شراب.

في أعماق الأرض، يكون الحديد محمّىً إلى درجة البياض، والضغط هناك هائل لدرجة أن أي جهاز عادي سينسحق. للنظر إلى هذا العالم، صنع الفيزيائيون مجهرًا خاصًا يعتمد على عيوب ماسية متناهية الصغر (تُسمى مراكز NV). هذه العيوب تتوهج بشكل مختلف اعتمادًا على المجال المغناطيسي المحيط بها، ويمكنها العمل حيث تتعطل الإلكترونيات العادية.

تفقد المستشعرات المغناطيسية العادية حساسيتها عند تصغير الحجم. لكن العلماء حولوا ماسة صغيرة إلى بوصلة ضوئية. على عكس الماس المجوهرات، ليست النقاوة هي الثمينة هنا، بل العيوب المُنتجة اصطناعيًا — هي التي تحول البلورة إلى بوصلة. تحت شعاع الليزر، تبدأ هذه العيوب في الإضاءة، لكن المجال المغناطيسي يطفئ التوهج بشكل حاد. هكذا تُظهر الماسة اتجاه المجال وقوته.

محاولة عدّ الناس في غرفة مظلمة من خلال صوت تنفسهم تصطدم بالضجيج العام — لا تُسمع الأنفاس الفردية. مهمة مماثلة تواجه العلماء الذين يعملون مع اللفات الكمومية في المواد الصلبة. كل لفة (العزم المغناطيسي للإلكترون) لها «صوتها» الخاص، لكن الضجيج التقني للأجهزة يطغى عليها.

ألماسة صغيرة تحتوي على عيب — ذرة نيتروجين بجوار فراغ في البلورة. يعمل هذا العيب، مركز NV، كإبرة مغناطيسية: تحت الضوء الأخضر يتوهج باللون الأحمر، ويعتمد سطوع التوهج على اتجاه مجاله المغناطيسي. وبهذه الطريقة تُقاس المجالات المغناطيسية بدقة عالية — على سبيل المثال، لمراقبة عمل خلية عصبية واحدة أو للبحث عن شقوق خفية في المواد.

طيف المادة هو بصمتها. عادةً، للحصول عليه، توضع العينة في مجال مغناطيسي قوي، كما في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي. لكن هناك طريقة للاستغناء عن المغناطيس تمامًا: تسجيل الإشارة الصادرة عن نوى الذرات عند مجال صفري. وحتى الآن، عانى هذا الأسلوب من حساسية ضعيفة، وكان من الصعب التنبؤ بأطيافه المعقدة.

الحاسوب الكمومي القائم على الذرات المتعادلة يشبه مكتبة حيث لا تحتاج فقط إلى قراءة الكتب، بل أيضًا إعادتها بسرعة إلى الرفوف. القراءة البطيئة للنتيجة تشبه أمين مكتبة بطيء يؤخر الطابور بأكمله. وجد العلماء طريقة لتسريع هذه العملية بإضافة مساعدين. في الطريقة الجديدة، تُحيط بالذرة العاملة الواحدة (الكيوبت) عدة ذرات مساعدة.

القزم الأبيض هو ما يتبقى من نجم مثل الشمس بعد أن يطرح طبقاته الخارجية. يبقى نواة حارة بحجم الأرض، لكن بكتلة قريبة من كتلة الشمس. ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن بقدر شاحنة. بعض هذه النجوم تمتلك مجالات مغناطيسية قوية جدًا — أقوى بمليار مرة من المجال الأرضي. لكن هذه الأجسام قليلة في الفهارس: فهي خافتة، والمسوحات السماوية العادية تفوتها.

في المختبرات حيث تُبرَّد الذرات إلى ما يقارب الصفر المطلق، حتى التغير الطفيف في المجال المغناطيسي يخل بكل الإعدادات. المستشعرات التقليدية — مثل ألواح هول أو الملفات ذات النواة الفريتية — توضع على بُعد بضعة سنتيمترات من غرفة التفريغ، لأنها هي نفسها تُحدث تشويشًا. لكن هذا البعد يعني أنها لا تستشعر المجال في الموضع الذي توجد فيه الذرات بالضبط.

في المادة الصلبة، تتذبذب الذرات ناقلةً الصوت. أحيانًا لا تسير هذه الموجة في خط مستقيم، بل تتجعد في حلزون — كخيطٍ يُلف حول بَكرة. في البلورات العادية، تُعرف هذه "الدوامات الصوتية"، لكن في المواد المغناطيسية ظلت بعيدة المنال طويلًا. الآن، سمح التحليل الطيفي النيوتروني — وهو طريقة يسبر فيها شعاع من النيوترونات حركات الذرات ومغناطيسيتها — بالتقاط هذه الدوامات المراوغة.

ألماسة صغيرة تطفو في الهواء، مثبتة بمجال كهربائي، مثل ذرة غبار في شعاع ضوء. داخلها عيوب خفية — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. تتصرف هذه العيوب كمغناطيسات يمكن قلبها بالليزر وأشعة الميكروويف. عندما تنقلب المغناطيسات، تدفع الألماسة قليلاً. الدفعة صغيرة جداً — كما لو أن نملة نفخت على كرة قدم. لكن الألماسة خفيفة جداً ومعلقة بشكل جيد لدرجة أن هذا يكفي لتدور.

الحرارة داخل الخلية تشبه حركة المرور في المدينة: في بعض الأماكن تكون الشوارع واسعة والتدفق سريع، وفي أماكن أخرى تكون أزقة ضيقة ويحدث الازدحام. وجد العلماء طريقة لرسم خريطة لمثل هذه «الاختناقات» للحرارة دون فتح الخلية. استخدموا ألماسًا صغيرًا جدًا لدرجة لا تُرى بالعين المجردة، ووضعوه على صفيحة ذهبية رقيقة. يُسخَّن الذهب بشعاع ضوئي، ويبدأ الألماس عند تسخينه بالتوهج بشكل مختلف.

تحويل الغازات الخفيفة مثل الهيدروجين والنيتروجين إلى حالة معدنية حلم قديم للفيزيائيين، يعود جذوره إلى تنبؤات حول سلوك المادة تحت ضغوط شديدة. في التجربة الجديدة، تم ضغط غاز النيتروجين إلى 130–140 جيجا باسكال — وهو ضغط يعادل وزن 14 مليون كيلوجرام على مساحة ظفر الإصبع — مع تسخينه في الوقت نفسه إلى 3000 درجة مئوية.

يعمل خلل صغير في بلورة الألماسة كهوائي حساس. إذا تذبذب مجال مغناطيسي قريب، يستجيب هذا الخلل — شاغر النيتروجين — بتوهج. سابقًا، لسماع الإشارة، كان لا بد من تجميع العديد من القياسات المتكررة، كما لو كنت تستمع إلى همس وأذنك ملتصقة بالباب. الآن، تكفي "نظرة" قصيرة واحدة.

رشة من غبار الألماس تُلقى في كأس يحتوي سائلًا تعمل كمئات من البوصلات المغناطيسية الصغيرة. فعندما تظهر جزيئات ذات إلكترونات غير مزدوجة (تُعرف بالجزيئات البارامغناطيسية) بالقرب منها، تبدأ إبر هذه البوصلات بالاهتزاز. ومن هذا الاهتزاز يمكن استنتاج نوع الجزيء وتركيزه. سابقًا، كانت هذه القياسات بطيئة: إذ تُستجوب جزيئات الألماس واحدة تلو الأخرى بنبضات ليزر، ويستغرق كل استجابة دقائق.

ميزان زنبركي في حقيبة ظهر الجيولوجي يستجيب بحساسية لكل جبل ومنخفض تحت الأقدام. لكن الزنبرك يتعب، وتنزلق قراءاته — يحتاج الجهاز إلى معايرة متكررة مع معيار مرجعي. أما مقياس الجاذبية الذري فيعرف قوة الجاذبية دون خطأ، لكنه بحجم ثلاجة ولا يحب الاهتزاز.

قد يصادف المرء في الألماس خللًا: بدل ذرتي كربون متجاورتين، توجد ذرة نيتروجين واحدة وموضع شاغر. يشبه هذا الخلل هوائيًا صغيرًا يستجيب للمجال المغناطيسي. وجّه العلماء إلى هذا الألماس ليزرًا وموجات دقيقة، فبدأ الخلل يقذف إلكترونات. نشأ تيار كهربائي ضعيف، لا يتجاوز بضعة بيكوأمبيرات — أي أصغر بمليار مرة من تيار مصباح كهربائي. هذا التيار هو الإشارة.

المجال المغناطيسي غير مرئي، لكن يمكن جعله «يضيء» باستخدام عيوب متناهية الصغر في الألماس تُعرف بالمراكز النيتروجينية-الشاغرة (nitrogen-vacancy centers). يعمل كل عيب من هذه العيوب كبوصلة مصغّرة تُخبر باتجاه المجال. المشكلة أن هذه البوصلات كثيرة، وقراءتها جميعًا واحدًا تلو الآخر يشبه نسخ كل حرف يدويًا في كتاب ضخم.

الشوكة الرنانة تصدر نغمة واحدة، لكن بجانبها تُسمع دائمًا نغمات توافقية هادئة - ترددات مضاعفة تمتزج مع الصوت الأساسي. تقريبًا هكذا كانت تتصرف أجهزة الاستشعار الكمومية للتردد: كانت تستجيب ليس فقط للإشارة المطلوبة، بل أيضًا لتوافقياتها - كما لو أن الميكروفون لا يلتقط صوت المغني فحسب، بل أيضًا صدى الجدران.

عيب مجهري في الألماس — يُسمى مركز NV (مركز النيتروجين-الشاغر، حيث يجاور ذرة نيتروجين فراغًا في الشبكة الكربونية) — يعمل مثل أذن مجهرية قادرة على التقاط "تنفس" القلب المغناطيسي. تعمل هذه المستشعرات في درجة حرارة الغرفة ولا يتجاوز حجمها حبة الرمل.

في غرفة سندان الألماس، يضغط الضغطُ المادةَ كما لو كانت مدفونة على عمق مئات الكيلومترات داخل الأرض. داخل هذه الغرفة تعمل مستشعرات دقيقة من الألماس — مراكز لونية تستجيب للموجات الميكروية وتكشف عن المجالات المغناطيسية ودرجة الحرارة المحيطة. لكن إيصال الموجات الميكروية إلى المستشعر عبر الفجوة الضيقة بين الألماسات يشبه إدخال إشارة راديو من ثقب المفتاح.

المجال المغناطيسي غير مرئي، لكن يمكن جعله «يضيء». للقيام بذلك، نستخدم ألماسة صغيرة تحتوي على عيوب - أماكن حيث يتم استبدال ذرة الكربون بذرة نيتروجين، وبجانبها توجد عقدة شاغرة في الشبكة البلورية. هذه العيوب، مثل إبر البوصلة الحساسة، تستجيب لأدق التغيرات في المجال المغناطيسي وتصدر ضوءًا متفاوت السطوع.

البوصلة المغناطيسية العادية تتجمد عندما يضرب البرق في مكان قريب. القفزة المفاجئة في المجال المغناطيسي تربك الإبرة. مشكلة مماثلة كانت تعيق العلماء عن قياس مغناطيسية المواد في مجالات نابضة قوية — تلك التي تعمل لجزء من الألف من الثانية. المنشأة الجديدة تحل هذه المشكلة باستخدام شعاع ليزر.

في غرفة مظلمة، تتوهج ألماسة صغيرة باللون الأحمر عند تسليط ليزر أخضر عليها. هذا الضوء ليس للزينة بل هو إشارة: يتغير سطوعه إذا كان هناك مجال مغناطيسي قريب. تحتوي الألماسة على عيوب — ذرات نيتروجين بجوار خلية فارغة. إنها مثل إبر حساسة تدور تحت تأثير المغناطيس. لكي لا تهتز هذه الإبر بسبب الصدمات العشوائية، توضع داخل رنان — تجويف صغير يرتد فيه الضوء بين المرايا.

الخلية لا تكتفي بالاستلقاء على السطح، بل تتحسّسه وتشدّه وتدفعه. حتى الآن، كانت الأجهزة تلتقط فقط القوى المباشرة: مدى شدة ضغط الخلية على الدعامة أو تمديدها لها. لكن إذا أمسكت الخلية من «كتفيها» وأدرتها قليلاً، فإنها تستجيب باللفّ — وهذا اللفّ لم يكن أحد يقيسه حتى وقت قريب. ابتكر العلماء مجهراً يرى الدوران. على الركيزة توجد أعمدة صغيرة جداً، وداخل كل عمود ذرّة غبار ألماس بحجم جزء من ألف من الشعرة.

في بلورة الألماس توجد شقوق غير مرئية تُسمى الانخلاعات (dislocations). وهي أماكن انزلقت فيها صفوف الذرات، كما لو أن ورقة في رزمة أوراق سُحبت في منتصفها. حول هذه الأماكن ينشأ إجهاد، وهو يؤثر على كيفية تكسر المادة أو انحنائها أو توصيلها للتيار. نظرية المرونة تصف هذا الإجهاد منذ 80 عامًا، لكن لم يكن ممكنًا رؤيته مباشرة.

في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أثناء مراقبته لعنقود الهلبة (كوما) سرعات عالية بشكل غير طبيعي للمجرات: حركتها أشارت إلى وجود كتلة خفية هائلة تربط النظام بفعل الجاذبية.

تفرض الحوسبة الكمومية متطلبات صارمة على وسائط تخزين المعلومات. في الشبكة البلورية للألماس — وتحديدًا في الكربون ذي العيوب المُنشأة اصطناعيًا — تُرمَّز البتات باتجاه العزوم المغناطيسية المجهرية، أو ما يُعرف بـ المغزل (Spin)، المتركزة على هذه العيوب.

داخل سندان الألماس، وهو جهاز يضغط فيه ألماسان العينة حتى مئات الغيغاباسكالات، يتوزع الضغط بشكل غير متجانس؛ فبعض المناطق تكون مضغوطة بشدة، وبعضها الآخر أقل. وهذا يؤثر في نتائج التجارب: فقد يتصرف المادة بشكل مختلف عما لو كان الضغط متجانسًا تمامًا. وحتى وقت قريب، كان بناء خريطة الضغط داخل الغرفة ممكنًا فقط عبر نقاط منفصلة، مثل توهج الياقوت.