مركز NV في الماس

ألماسة صغيرة لا تُرى بالعين المجردة، تستلقي على شريحة إلكترونية وتستشعر الحرارة بشكل لا يستطيعه أي مقياس حرارة عادي. داخلها عيبان مخفيان، مكانان استُبدل فيهما ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. يعمل هذان العيبان كزوج من الإبر الحساسة: تحت تأثير الموجات الدقيقة يهتزان، ويتغير تردد اهتزازهما عندما يسخن الألماس أو يبرد. يُسمى هذا العيب مركز NV (نيتروجين-فراغ).

الهيدروجين في الجزيء أحيانًا لا يشبه كرة، بل موجة يمكنها أن تتسرب عبر حاجز الطاقة، مثل شبح يمر عبر جدار. يسمي الكيميائيون هذا بالنفق الكمومي (quantum tunneling)، وهو أساس العديد من العمليات، من عمل الإنزيمات إلى نقل الشحنة في المواد.

غشاء شفاف من أكسيد البزموت-تنجستن موضوع على ركيزة ولا يوصل التيار. ثلاث دقائق في سحابة بلازما النيتروجين تجعله يسودّ، وتنخفض مقاومته بمقدار مليار مرة. السر ليس في ذرات جديدة، بل في إعادة ترتيب الذرات القديمة: الأماكن الفارغة التي كانت تحتضن الأكسجين تصطف في صفوف منتظمة، كجنود ينفذون أمرًا. هذا الصف من الفراغات يتحول إلى طريق للإلكترونات.

النيوترون هو جسيم يستقر عادة في نواة الذرة ولا يختفي. لكن بعض النظريات تفترض أنه قد يتحول أحيانًا إلى توأم غير مرئي — جسيم افتراضي لا يمكن التقاطه بواسطة أجهزة الكشف العادية. إذا حدث هذا، فسيفسر ما تتكون منه المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولكنها تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

تخيّل أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دور مستشعر مغناطيسي صغير داخل الألماس. لكي يعزفوا بتناغم تام، يحتاجون إلى الصمت التام: لا اهتزازات زائدة ولا ضوضاء خارجية. لكن عند صناعة هذه الأوركسترا – أغشية ألماس رقيقة تحتوي على عيوب نيتروجينية – كان يندسّ في المادة نشاز. درست مجموعة دولية من الفيزيائيين كيفية نشوء هذا الاضطراب بالضبط.

عيب صغير في بلورة الألماس — مركز النيتروجين-الشاغر، حيث تشكل ذرة نيتروجين وشاغر مجاور (فراغ) نظامًا كموميًا — يعمل كمستشعر فائق الحساسية للمجالات المغناطيسية، مثل ميكروفون حساس يلتقط أدق الاهتزازات. لسماع "همس" الجزيئات الفردية، يوضع المستشعر بالقرب من سطح البلورة.

أقراص العسل ليست من الشمع بل من الذرات — هذا هو الغرافين، بلورة مسطّحة بسماكة طبقة واحدة. الإلكترونات فيه تشبه العدّائين عند تقاطع طرق: تتسارع في مكان وتبطئ في آخر، لكنها لا تعلق أبدًا على الحافة. يسمّي الفيزيائيون هذه الورقة "تافهة توبولوجيًا" (topologically trivial) — أي أن حوافها عادية تمامًا، دون خصائص خاصة. الآن لنُخرج ذرة واحدة من قرص العسل.

إنشاء عقدة لشبكة كمومية أشبه بتعليم بهلوان التوازن على حبل كربوني فوق هوة. قدم واحدة يجب أن تنفصل بسهولة عن الحبل، راميةً فوتوناتٍ كرسل إلى العالم الخارجي. والأخرى تتشبث بقوة، خازنةً المعلومات الكمومية الثمينة.

في أعماق بلورة الألماس، المنقطة بمراكز NV، تنام سيمفونية. كل عيب يشبه شوكة رنانة، مستعدة للاستجابة لموجة صوتية عابرة. لكن أصواتها بالكاد تُسمع منفردة: الاقتران بين اللف المغزلي والفونون أضعف من الهمس. نحتاج إلى مايسترو قادر على تحويل التذبذبات الخجولة إلى جوقة مدوية. وهذا المايسترو هو شعاع الليزر.

الماس رمز الكمال، لكن سحره الحقيقي يتجلى من خلال عيوبه. النقاء المثالي للشبكة البلورية يمنحه الشفافية والصلابة، بينما العيوب - مثل مراكز الألوان - تفتح نافذة إلى العالم الكمومي، وتصبح أساساً لـ الحواسيب الكمومية والمستشعرات الكمومية. لعقود، تجادل العلماء حول طبيعة العيوب المستوية - 'الصفائح' الشهيرة في الماس.

في الألماس، كما في أي بلورة، تنشأ حتمًا عيوب في الشبكة البلورية: فراغات (مواضع خالية حيث تفتقد ذرة) أو ذرات شائبة احتلت مكانًا غريبًا. عندما يلتقط مثل هذا العيب إلكترونًا، يمكن أن يُظهر خصائص كمومية — مثل التألق (إصدار ضوء) أو اكتساب مغناطيسية، مما يجعله واعدًا للأجهزة الكمومية.

تُربط الجزيئات المغناطيسية بسطح الماس بواسطة خيوط الحمض النووي، مثل الدمى المتحركة على الحبال. ترقص باستمرار بفعل الحركة الحرارية لجزيئات السائل. تحدد لزوجة السائل الإيقاع: ففي العسل تهتز الجزيئات بصعوبة، وفي سائل خفيف ترقص بسرعة. وإذا طفت جزيئات معينة في المحلول، فإنها تتشبث بخيوط الحمض النووي، مما يغير مشية الراقصين.

يترسب الغاز الساخن على الركيزة، طبقة بعد طبقة، مكونًا غشاءً شفافًا. ولكن بدلاً من سطح مثالي كالمرآة، قد يغطي السطح نتوءات صغيرة — مثل تراكمات الجليد على الزجاج في الصقيع الشديد. عادةً ما يحاولون إزالتها لأنها تعيق صناعة الأجزاء المستوية. لكن الفيزيائيين من أكسفورد وزملاءهم فعلوا العكس: نظروا إلى ما بداخل النتوءات.

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.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف-كيوبت أن يعزف في صمت تام. لكن عندما يكون هناك العديد من هذه الأوركسترات وتريد العزف معًا، فإنها تحتاج إلى قائد-موصل موثوق. المشكلة أن الكيوبتات فائقة التوصيل تتواصل بلغة الموجات الدقيقة – وكأن عازفي الكمان يحاولون إسماع صوتهم إلى القاعة المجاورة عبر جدار خرساني. الموجات الدقيقة تخمد بسرعة في الأسلاك العادية ولا يمكنها السفر عبر الألياف البصرية.

في بلورة الماس توجد أحيانًا «ضيوف» — ذرات مفردة من عناصر أخرى حلت محل الكربون. أحد هذه الضيوف، ذرة القصدير، عند تشعيعها بالليزر تصدر ضوءًا بلون محدد بدقة. يتغير هذا اللون إذا ضغطنا على الماس. حسب الفيزيائيون مقدار هذا التغير بالضبط. ضغط 1 جيجاباسكال يعادل عشرة فيلة بالغة تقف على ظفر إبهامك. اتضح أن انزياح اللون متطابق لحالتي العيب — مع إلكترون إضافي وبدونه.

الألماس هو أصلب مادة طبيعية، وعادةً لا يوصل الكهرباء. لكن إذا أضفنا إلى شبكته البلورية بعض الذرات الغريبة، يمكن أن يصبح شبه موصل، مثل السيليكون في رقائق الحاسوب.

في المطبخ، دلو مملوء بالماء ودلو آخر مماثل مملوء بالرمل. نسكب الرمل في الماء — فنحصل على خليط يحتوي رملًا يزيد خمسة أضعاف كمية الماء. هذا تقريبًا ما عليه حال كوننا: المادة العادية، التي تتكون منها النجوم والكواكب ونحن أنفسنا، جزء واحد، بينما المادة المظلمة التي يصعب رصدها — خمسة أجزاء.

النيتروجين — وهو الغاز الذي نتنفسه — يتصرف تحت ضغط مليون ضغط جوي كمعدن متقلب. في غرفة ذات سندانين ماسيين، يُضغط إلى 78–98 غيغاباسكال ويُسخن بالليزر إلى 1800–2500 كلفن. في هذه الظروف، تعيد جزيئات N₂ ترتيب نفسها إلى بلورات يمكنها تخزين طاقة أكبر كثافة من المتفجرات.

البلبل الدوار على سطح مثالي يسقط عند أقل اهتزاز. وهكذا فإن البت الكمومي المُنشأ على عيب في الألماس: حالته تدمرها الفوضى المغناطيسية الناتجة عن الشوائب والتشويشات الخارجية. للحفاظ على هذا "البلبل"، قام العلماء بتنمية ألماس يخلو تقريباً من نظير الكربون-13 - مغناطيسات صغيرة تسبب الضوضاء.

في مجال مغناطيسي قوي، قد تصطف الإلكترونات المحبوسة في طبقة رقيقة في نمط منتظم — مثل ضيوف في حفلة مزدحمة يجدون مكانًا لا يتزاحمون فيه. يُسمى هذا الترتيب بلورة، على الرغم من أنها ليست جليدًا ولا ملحًا، بل الإلكترونات نفسها متجمدة في أماكنها. في السابق، كان هذا النمط مجرد افتراض، أما الآن فقد شوهد مباشرة لأول مرة.

عادةً ما يعمل الليزر على التسخين. لكن في بعض البلورات، يمكن للضوء أن يحمل الحرارة بعيدًا — كما لو أن إبريق الشاي يبرد تحت ضوء مصباح ساطع. في الألماس، تقوم العيوب بهذه المهمة: أماكن يحل فيها ذرة نيتروجين محل الكربون، وبجانبها فراغ. أظهرت التحليل الطيفي أنه عند تسليط ليزر بطول موجة أقل قليلاً من طول موجة الرنين، يصدر العيب ضوءًا بطاقة أعلى مما امتصه.

في الشبكة البلورية للألماس، تظهر عيوب بين الحين والآخر: تلتقط ذرة نيتروجين مكانًا غريبًا، ويبقى فراغ بجانبها. يتحول هذا الخلل إلى بوصلة ألماسية فائقة الحساسية الألماس - ترتجف إبرتها المغناطيسية عند أدنى مجال خارجي. ومن المفارقات أن هذا العيب، الذي يقلل من قيمة الحجر، أصبح أداة مرغوبة لدى الفيزيائيين.

تتصرف الجزيئات في المحلول كحشد في ساحة: قد تتزاحم بشكل عشوائي، وقد تصطف في صفوف منتظمة. المحلول المائي لكروموغليكات ثنائي الصوديوم هو نموذج معروف للبلورات السائلة الكرومونية، حيث تنشأ هذه "الصفوف" تلقائيًا. ولكن إذا سلطنا الأشعة فوق البنفسجية على المحلول، ينهار النظام: تبدأ الجزيئات في التفكك إلى أجزاء.

في قطعة من الألماس، يختبئ عيب صغير جدًا: ذرة نيتروجين بجوار فراغ. يلتقط هذا العيب المجالات المغناطيسية كما تلتقط الهوائي موجات الراديو، ويستجيب بومضات من الضوء. هذه المجسات تقيس بالفعل درجة الحرارة داخل الخلايا الحية وتكشف عن العيوب في الرقائق الدقيقة. المشكلة أن الإشارة الصادرة من عيب واحد تغرق في الضوضاء.

في عام 2017، سقط حجر من السماء في قرية موخوندبورا الهندية. كان نيزكًا كربونيًا نادرًا — قطعة من مادة كونية قديمة تحمل في طياتها آثار ولادة النظام الشمسي. سرعان ما جمع السكان المحليون الشظايا، ووصلت إلى المختبر. تحت المجهر الإلكتروني القوي، عُثر داخل النيزك على بلورات ألماس متناهية الصغر — يبلغ حجمها 3–5 نانومتر فقط.

حبيبة ألماس أصغر من جزء من مئة من المليمتر تتوهج باللون الأحمر. بداخلها عيب في البلورة: ذرتا كربون متجاورتان، حيث تنقص إحداهما، وبجوارها ذرة نيتروجين. هذا الثنائي يلتقط الضوء ويعيده، مثل منارة صغيرة لا تنطفئ في درجة حرارة الغرفة. قُرِّبت هذه الحبيبة من مسار على سطح الشريحة. المسار مصمم بحيث يسير الضوء فيه في اتجاه واحد فقط — مثل شارع باتجاه واحد.

جسيم ألماسي صغير من الكربون يطفو في الفراغ، محتجزًا بشعاع ليزر بصري. في شبكته البلورية يوجد عيب نقطي: ذرة نيتروجين بجوار شاغر — عقدة فارغة. تحت تأثير الضوء وأشعة الميكروويف، يبدأ هذا العيب في التذبذب، ناقلًا الاهتزازات إلى الجسيم الدقيق بأكمله.

الفضاء الفارغ ليس ساكناً أبداً. إنه يعج بتقلبات طاقية صغيرة - مثل الطين الخام في يد النحات. في تجربة جديدة، وُضعت طبقة رقيقة من مادة فائقة التوصيل داخل تجويف صُمم لاحتجاز ضوء تيراهيرتز، وهو شكل من الإشعاع غير المرئي. عمل التجويف كقالب، شكّل تقلبات الفراغ حول الطبقة. حتى بدون أي ضوء، نحتت هذه التقلبات الحالة الداخلية للموصل الفائق.

حبيبة ألماس بالغة الصغر، أصغر من ذرة غبار، تحوم في مصيدة مغناطيسية مصنوعة من شرائح دقيقة. داخل البلورة عيب وحيد يعمل كمنارة. يجعل العلماء الألماسة تتواجد في مكانين في آنٍ واحد، مثل كرة ساحر توجد تحت كأسين في الوقت نفسه دون أي خداع. هذا ليس مجرد خدعة.

سخّن ساعة كوارتز عادية بعشر درجات، وستبدأ بالتأخر ثوانٍ في اليوم. الساعات الذرية أدق، لكنها تشغل خزانة كاملة. الألماس بعيب صغير — الفراغ النيتروجيني — يعد بدقة الساعات الذرية في حجم حبة رمل. مشكلة واحدة: هذا العيب حساس جداً للحرارة، مثل شوكة رنانة تغيّر نغمتها مع حرارة الهواء. في العمل الجديد، جعلوا العيب يصدح بصوتين في آنٍ واحد.

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.

يمكن دمج مستشعر مصغر في الشبكة البلورية لألماس الكربون. إذا استُبدلت ذرة كربون واحدة بذرة نيتروجين، وتُركت العقدة المجاورة في الشبكة فارغة، يتشكل مركز النيتروجين-الفراغ، وهو عيب يمتلك حالات سبينية حساسة للمجال المغناطيسي الخارجي، وقادر على إصدار ضوء استجابةً لتغيراته.

حشد من واحد وثلاثين مستشعرًا كموميًا يهمس في صفيحة ألماس. في السابق، كان هذا الهمس يغرق في ضجيج الأضواء الكاشفة: الارتفاعات العشوائية للفوتونات التي كانت تُستخدم لقراءة حالة السبينات كانت تطغى على الضجيج الكمومي الذاتي للمجموعة. الآن، تعلم الفيزيائيون كيفية إطفاء الأضواء الكاشفة والاستماع إلى الحشد نفسه.

على رقاقة ألماسية بقياس اثنين في اثنين ملليمتر، تتسع أوركسترا كاملة من تسعة وأربعين كمانًا. كل وتر مضبوط على نغمة معينة، أي على جزء معين من الحمض النووي. عندما يدخل اللحن المطلوب إلى القاعة، يستجيب الوتر، ويسمع قائد الأوركسترا صوتًا نقيًا. هذا القائد هو مستشعر كمومي مختبئ داخل الألماس نفسه.

شعاع ضوء مرئي يدخل سحابة من مليارات ذرات الروبيديوم المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ويخرج من الجانب الآخر في نطاق الاتصالات. هكذا يبدو عمل مترجم لا يفقد معنى الجملة: الذرات تستقبل الفوتون على «لغة» 795 نانومتر وتعيد إرساله على «لغة» 1367 نانومتر، المناسبة للسفر عبر الألياف البصرية. الترجمة نفسها تستغرق أقل من ميكروثانية، لكنها هي التي تحدد ما إذا كان الإنترنت الكمومي سيعمل.

الحاسوب الكمومي يشبه الأوركسترا حيث تعزف الآلات الوترية والهوائية بلغات مختلفة. المعالجات فائقة التوصيل تتعامل مع فوتونات الميكروويف في دوائر سنتيمترية، بينما الكيوبتات اللفية المغزلية — مثل مراكز النيتروجين-الشاغرة — تخزن المعلومات على مقياس ذرات مفردة. التواصل المباشر بينها مستحيل كما هو الحوار بين الحوت والنملة.

تصدر الشوكة الرنانة صوتًا عندما تُضرب. فتهتز أسنانها ويُسمع الصوت حتى تخفت الاهتزازات. وفي العالم الكمي هناك أيضًا "شوكات رنانة" خاصة بنا — مثل خلل في الألماس يستجيب للمجال المغناطيسي، وأنبوب كربوني يمكن أن يرتجف بتردد أعلى بمليارات المرات من نغمة "لا". في العمل الجديد، جعل هذين الجسمين يشعران ببعضهما البعض.

ألماسة صغيرة تحتوي عيوبًا — ذرات نيتروجين حلت محل الكربون — تخفي في طياتها خاصية غير عادية. حول كل عيب يدور إلكترون إضافي، مثل قمة دوارة يمكن إمالتها بنبضات راديوية. هذه القمة الدوارة في حد ذاتها هادئة جدًا بحيث لا يمكنها أن تصل بصوتها إلى الكوبيت فائق التوصيل — الذرة الاصطناعية التي تعمل في درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي.

في عمق الألماس توجد عيوب صغيرة جدًا — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. هذه العيوب، مثل المنارات، يمكنها تخزين ونقل المعلومات الكمومية. لكن حولها تعصف عاصفة مغناطيسية: نوى الذرات في البلورة تهتز، مما يسبب تداخلًا. تغرق الإشارة في الضجيج. وجد مؤلفو الدراسة طريقة لاختراق هذه الفوضى.