مرونة كهربائية

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد.

تصطدم نبضة ليزر بسحابة غازية وتقتلع منها إلكترونات، تاركةً خلفها فقاعة: تجويفًا يكاد يخلو من الجسيمات. تندفع هذه الفقاعة عبر البلازما بسرعة تقارب سرعة الضوء، وتسحب جدرانها الإلكترونات التي دخلت داخلها، كما يسحب الزورق السريع المتزلج المائي خلفه.

إذا مررنا تيارًا كهربائيًا عبر موصلين ملحومين معًا، فإن نقطة اللحام تسخن أو تبرد — وهذا هو تأثير بلتييه (Peltier effect)، الذي تعمل به ثلاجات السيارات. لكن في التجربة الجديدة لم يكن هناك لحام ولا تيار عبر الحدود: قطعة من معدن متجانس كانت فقط موضوعة بجوار بلورة من عازل كهربائي حديدي (مادة تكون فيها الشحنات الكهربائية منزاحة مثل إبر البوصلة).

عمال الكهرباء الذين يتعاملون مع الجهد العالي يشبهون الغواصين: يحتاجون إلى رؤية ما يحدث في الأعماق دون النزول بأنفسهم. لهذا يحتاجون إلى مستشعر يبقى بعيدًا عن التيار الخطير وينقل المعلومات إلى السطح. عادةً ما يُستخدم الضوء لهذا الغرض: يمر شعاع عبر بلورة شفافة، ويقوم المجال الكهربائي بتدوير مستوى استقطابه قليلاً—وهذا ما يُعرف بتأثير بوكلز (Pockels effect). لكن لهذه الطريقة نقطة ضعف: فهي حساسة للمجالات الخارجية والضوضاء.

ساندويتش رقيق من مادتين مختلفتين. يمرّ فيه تيار كهربائي — فتُنغّطِط القطعة العلوية في اتجاه، والسفلية في الاتجاه المعاكس. هذه ليست خدعة، بل تأثير إدلشتاين الطبقي (layer Edelstein effect)، الذي وصفه الفيزيائيون للتو. في الحياة العادية، يرتبط الكهرباء والمغناطيسية ارتباطًا وثيقًا، لكن التحكم في المغنطة بواسطة التيار ليس بالأمر السهل.

طي ورقة من الورق أمر سهل. أما ضغطها بالدفع من الحافة فمسألة مختلفة تمامًا: فالورقة ستنبعج لكنها لن تنقل القوة إلى أبعد من ذلك تقريبًا. هكذا تعمل المرونة العادية — يعتمد التشوه على مكان الضغط وكيفيته. الشبكة ثلاثية الأبعاد الجديدة تدفع هذا التباين إلى أقصى حد.

في عام 1915، أظهر ألبرت أينشتاين وفاندر يوهانس دي هاس أنه عند مغنطة قضيب حديدي، يدور القضيب قليلاً - حيث ينتقل الزخم الزاوي للإلكترونات إلى الشبكة البلورية. بعد قرن من الزمان، اكتشف الفيزيائيون أن الفونونات - كمات الصوت - يمكنها أداء رقصة مماثلة إذا امتلكت المادة لزوجة فونونية هولية.

ملف تسلا يطلق شرارات، ويبدأ شعاع الضوء بالدوران حوله. المادة التي يمر عبرها لا تزال مستقرة — لكن المجال يزداد، ويزداد الدوران. هذه ليست خدعة، بل سلوك مواد خاصة: فهي تربط الكهرباء والمغناطيسية. لهذا الارتباط حد أساسي — حد تيليجين. إذا تم تجاوزه، تفقد المادة استقرارها الكهرومغناطيسي. كان يُعتقد سابقًا أن هذا الحد محدد بشكل صارم بخصائص المادة نفسها.

في السحب الهائلة من الغاز المخلخل التي تملأ الفضاء بين النجوم، يغلي شيء ما باستمرار. انفجارات المستعرات العظمى، والتيارات المتصادمة — كل ذلك يهزّ البلازما. وفي هذه التموّجات، كما تبيّن، يختبئ آلية توليد الحقول المغناطيسية.

من الشمس إلى الأرض يندفع الريح الشمسي، لكن الغلاف المغناطيسي يثني التيار ويصوغ منه ذيولًا بلازمية. الفكرة نفسها في قلب المجرات: النفاثات المنبثقة من أقراص التراكم حول الثقوب السوداء تلتوي بيد خفية من المجال المغناطيسي. والآن تخيل نهرًا من ثنائيات القطب داخل بلورة صغيرة.

الفضاء مليء بالمجالات المغناطيسية. توجد في المجرات والنجوم وحتى في الفراغات الكونية الشاسعة (فجوات هائلة بين تجمعات المجرات). يُعتقد عادةً أن هذه المجالات تتقوى من مجالات «بذورية» ضعيفة بفضل الاضطراب (turbulence) — تمامًا مثل مولد كهربائي. لكن طبيعة المجالات البذورية نفسها ظلت لغزًا. يقدم العمل الجديد آلية غير متوقعة.

كلما كان غشاء الكهروضوئي الحديدي أرق، كان حقل إزالة الاستقطاب أقوى — هذا ما تفرضه الفيزياء التقليدية. تخيل قلم رصاص يتوازن على طرف إصبعك: كلما كان أقصر، كان من الأصعب إبقاؤه عمودياً. هكذا يميل الاستقطاب النانومتري إلى الاختفاء.

قطعة سكر ممسوكة بين الأصابع شبه مؤكد أنها ستتفتت بدلاً من أن تنضغط بشكل متساوٍ. مشكلة مشابهة تواجه صانعي الحواسيب الكمومية. فهم بحاجة إلى تمديد أو ضغط رقائق السيليكون المصغرة قليلاً — حيث تُوضع عليها الكيوبتات لاحقًا. لكن «الملزمة» القياسية المصنوعة من البلورات الكهرضغطية (مواد يتغير حجمها تحت الجهد الكهربائي) مصممة للعينات الطويلة والرفيعة، وليس للرقائق المربعة السميكة.

المغناطيس العادي يشبه البوصلة: الإبرة تشير إلى الشمال. لكن البوصلة الكمومية قادرة على النظر في كلا الاتجاهين في وقت واحد. إذا تم تدوير مغناطيس عائم في الفراغ بحذر، فإن إلكتروناته التي تشبه 'الدوامات' تتزامن بحيث تبدأ قطعة المعدن بأكملها بالعيش وفق قوانين العالم الصغير - تستقر في حالة تراكب، كمؤشر منقسم.

يُمرَّر تيار كهربائي عبر نابض من الجزيئات العضوية — وعند الخرج نجد أن الإلكترونات تدور جميعها تقريبًا في اتجاه واحد. هذه الحيلة تُعرف بالانتقائية الحلزونية للسبين، وقد أرّقت الفيزيائيين طويلًا. في الذرات الخفيفة، يكون السبين (الدوران الذاتي للجسيم) مرتبطًا بحركة الشحنة بشكل ضعيف جدًا بحيث لا يكفي لضمان فرز شبه كامل.

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.

إذا سخّنت مسمارًا في النار، فسوف يستطيل — وهذا يعرفه الجميع. لكن إذا سخّنت طرفه فقط وتركت الآخر باردًا، فلن يصبح المسمار أطول فحسب: بل سينحني، لأن المعدن الساخن يتمدد أكثر من المعدن البارد. هذا الانحناء نفسه، لكن على المستوى الذري، هو ما حوّله الفيزيائيون إلى كهرباء. في العوازل — الزجاج والبلاستيك والسيراميك — لا توجد إلكترونات حرة تقريبًا، لذا فإن التأثير الكهروحراري (thermoelectric effect) المعتاد لا يعمل هناك.

حبل مطاطي سميك يُلف ويلف حتى يصل إلى نقطة الانهيار. عندها لا يتحمل، فيتمزق ويضرب في كل اتجاه، محررًا الطاقة المختزنة. هذا ما تفعله المجالات المغناطيسية داخل النجوم النيوترونية — البقايا فائقة الكثافة للنجوم المنفجرة. عندما تتمزق خطوط المجال وتعيد الاتصال فورًا (وهذه العملية تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي)، تندفع الطاقة إلى الخارج. ولكن ليس فقط على شكل حرارة أو ضوء.

إذا ضغطت قطعة معدنية عادية، فإنها تسخن — وهذا معروف حتى لمن نفخ إطار دراجة. ولكن ماذا يحدث إذا ضغطت مغناطيسًا ترفض فيه الأسهم الذرية أن تستقر حتى عند الصفر المطلق؟ قررت مجموعة من الفيزيائيين اختبار ذلك على بلورات خاصة — مغناطيسات محبطة (frustrated magnets)، حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات (بوصلات صغيرة) مرتبة في شبكة مثلثية ولا تستطيع أن…

المشط الذي يُمشط به الشعر يجذب قصاصات الورق. هذه الحيلة الفيزيائية البسيطة قرر العلماء تطبيقها على المستوى المجهري — للتحكم في الدوامات المغناطيسية التي تُسمى السكيرميونات. يشبه السكيرميون إعصارًا صغيرًا في بحر من المغنطة: في مركزه تشير إبر البوصلة إلى الأعلى، وعند الأطراف تلتف إلى الأسفل. هكذا تتشكل عقدة مستقرة لا تنحل من تلقاء نفسها.

ورقتان من الورق موضوعتان معًا تبدأان بالانزلاق البطيء فوق بعضهما عند التسخين. هذا تقريبًا ما تفعله طبقات ثنائي كبريتيد الموليبدينوم، وهي مادة بسماكة ذرة واحدة. في درجة حرارة الغرفة، تنزلق تلقائيًا بسرعة تقارب مترًا في الثانية. كان يُعتقد سابقًا أن تحريك الطبقات يتطلب تجاوز حاجز، كما لو كنت تسحب صندوقًا ثقيلًا فوق عتبة الباب.

احتكاك المشط بالصوف يولّد شرارة. مبدأ مشابه يعمل في المولدات النانوية الاحتكاكية (triboelectric nanogenerators) — وهي أجهزة تحوّل اللمسات الميكانيكية إلى كهرباء. المشكلة أن المواد العادية تعطي شحنة ضعيفة. درست مجموعة من الباحثين المادة الطبقية Janus MoSSe — حيث يُغطى سطحها من جهة بالكبريت ومن الجهة الأخرى بالسيلينيوم، مثل شطيرة بحشوتين مختلفتين.

المغناطيس الملتصق بباب الثلاجة يبقى ثابتًا لأن الإبر الذرية الصغيرة بداخله مصطفة في اتجاه واحد. لكن إذا بدأت هذه الإبر تتنازع فيما بينها — بعضها يسحب إلى اليسار، وبعضها إلى اليمين، وبعضها يدور كالقمة — ينشأ ما يُسمى بالإحباط المغناطيسي. هذا الاضطراب يولّد أنماطًا عجيبة: خطوطًا وحلزونات ودوامات.

الغشاء الرقيق من الصابون على اليد يتبع شكل راحة اليد، لكن عند قبض الأصابع يتغير التوتر بشكل غير متساوٍ. بطريقة مشابهة تتصرف الطبقة الأحادية من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم على ركيزة من الغرافيت.

قطعة من غشاء أكسيد الزنك موضوعة على الطاولة. يُقرَّب مغناطيس وتبدأ بتدويره ببطء حول الغشاء. الغشاء، الذي يبلغ سمكه أقل من سمك شعرة الإنسان، يبدأ في تغيير أبعاده: ينكمش تارةً ويتمدد تارةً أخرى. هذه الخاصية تُسمى التضيق المغناطيسي (magnetostriction) — وهي قدرة المادة على التشوه تحت تأثير المجال المغناطيسي.

في طبقة رقيقة من البلورة السائلة — مادة تتدفق كالسائل، لكن جزيئاتها مرتبة بانتظام كما في الجسم الصلب — تولد دوامات أصغر من سمك شعرة الإنسان. تشبه هذه الدوامات قممًا دوارة صغيرة: يمكنها التحرك دون أن تتفكك، وتتصرف تقريبًا كجسيمات حقيقية.

تشبه بلورة Fe₃Sn₂ شبكة منقوشة، حيث توجد ذرات الحديد في زوايا أشكال سداسية. في الظروف العادية، تكون أسهمها المغناطيسية مصطفة بدقة، مثل جنود في طابور. ولكن بمجرد ضغط البلورة، ينهار هذا الطابور. تحت ضغط يبلغ حوالي 20 جيجاباسكال (وكأن عشرين فيلًا يقفون على ظفر إصبع)، تعيد الشبكة ترتيب نفسها قليلًا.

في بلورة تيتانات الباريوم يوجد مجال كهربائي مدمج — مثل المغناطيس الدائم، لكن للشحنات. عندما يصل وميض ضوء إلى هناك، يقتلع الإلكترونات، فتبدأ في التخبط وتصطدم بالذرات. لكن البلورة ليست متشابهة في جميع الاتجاهات: لها محور يكون فيه المجال أقوى.

تشبه بلورة Co2SeO3Cl2 كعكة طبقات، حيث كل طبقة عبارة عن شبكة قرص عسل منحنية من ذرات الكوبالت. عند التبريد إلى 25.4 كلفن (−247.75 درجة مئوية)، تبدأ العزوم المغناطيسية للذرات في الاصطفاف مثل إبر البوصلة، ولكن ليس دفعة واحدة، بل على أربع مراحل: عند 25.4 و16.8 و11 و3 كلفن. كل مرحلة هي نمط جديد من النظام المغناطيسي.

بلورة فوسفات الليثيوم والكوبالت تشبه رقعة الشطرنج، حيث الخلايا السوداء والبيضاء هي مناطق ذات اتجاه معاكس للعزوم المغناطيسية لأيونات الكوبالت. تُسمى هذه المناطق بالنطاقات المضادة للمغناطيسية الحديدية (antiferromagnetic domains)، وكان من الصعب رؤيتها حتى الآن: فالطرق التقليدية تتطلب معدات معقدة أو تُتلف العينة. وجدت مجموعة من الباحثين طريقة لإضاءة هذه «الرقعة» بالضوء تحت الأحمر.

عندما تُضغط مادتان مختلفتان معًا ثم تُفصلان، تقفز بينهما شرارة. هذا مألوف لكل من خلع سترة صوفية في الظلام أو تلقى صدمة كهربائية من مقبض الباب. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الشحنات ببساطة تقفز من سطح إلى آخر بسبب الاختلافات في خصائص المواد. لكن التجارب الحديثة أظهرت أن الأمر أكثر تعقيدًا.

قطعة سيراميك بحجم الظفر تُضغط في ملزمة، فتتغير بنيتها الداخلية مثل الطين تحت الأصابع. داخل المادة تصطف صفوف منتظمة من مناطق صغيرة كانت في السابق موزعة بشكل عشوائي. بعد هذا "التدليك"، تبدأ البلورة في نقل الضوء تقريبًا مثل الزجاج، وفي الوقت نفسه تتكهرب بشدة إذا ثُنيت أو ضُغطت. عادةً ما تكون الشفافية والقدرة على توليد الكهرباء من الضغط خاصيتين متنافيتين.

شريط مطاطي عادي محشو ببرادة حديد دقيقة لا ينحني فقط في مجال مغناطيسي — بل يعقد نفسه في عقدة مستقرة. هذا التأثير تنبأ به وأعاد إنتاجه في تجربة فيزيائيون عملوا مع مطاط مغناطيسي نشط (magnetoactive elastomer): قاعدة سيليكونية تحتوي على جزيئات كربونيل الحديد.

قطعة من الذهب لا تجذب المشابك الورقية. لكن إذا أخذت غشاءً رقيقًا من سبيكة الغادولينيوم والذهب والجرمانيوم وبدأت في ثنيه، فقد تظهر فيه مناطق مغناطيسية. لم يفعل العلماء ذلك بأيديهم، بل باستخدام تيار من أيونات الهيليوم الذي اخترق المادة عبر قناع ذي نمط محدد. اصطدمت أيونات الهيليوم بالشبكة البلورية ومدّتها قليلاً في بعض الأماكن أكثر من غيرها.

عندما تضغط بإصبعك على قطعة من الصلصال الطري، فإنها تنضغط بطاعة، ثم تعود ببطء إلى شكلها السابق. لكن إذا ضغطت على زجاج النافذة، فإما أن يتحمل الضغط أو يتشقق — لا تشوه سلس. كلتا المادتين غير متبلورتين: ذراتهما غير مرتبة في شبكة بلورية صارمة كما في المعدن. ومع ذلك، فإنهما تتصرفان بشكل مختلف تمامًا. يكمن السر فيما يحدث على المستوى المجهري.

غشاء بلوري أرقّ من شعرة الإنسان يستلقي على قاعدة صلبة مثل سجادة مثبتة على الأرض. القاعدة تمنع الغشاء من تغيير شكله بحرية عند التسخين — فينكمش ويتمدد بشكل مقيد، فتفقد حساسيتها. في العمل الجديد، فُصل الغشاء عن قاعدته بإذابة الطبقة الوسيطة في الماء.

داخل كل خلية يوجد هيكل من الخيوط، مثل السقالات التي تمنحها شكلها وتسمح لها بالحركة. تربط هذه الخيوط بروتينات رابطة: بعضها يمسكها معًا فقط، مثل الحبال، والبعض الآخر يعمل كمحركات صغيرة تزحف على الخيوط وتسحبها نحو بعضها البعض. تعتمد قدرة الخلية على الانقسام أو الزحف أو تغيير شكلها على مدى انسجام عمل هذا الفريق.

تشكل الطبقات الذرية الملتوية في المادة نمطًا من مناطق صغيرة تُعرف بالمجالات (domains)، ويمكن أن تكون كل منطقة مستقطبة في أحد اتجاهين، مثل إبرة بوصلة تشير إلى الشمال أو الجنوب. سابقًا، كانت هذه المواد تُدرس ككل فقط، بقياس آلاف المجالات دفعة واحدة، وكان سلوكها العام يشبه جوقة لا تُسمع فيها الأصوات الفردية.

غشاء رقيق من أكسيد الحديد SrFeO3 يستقر على ركيزة تمدّه قليلًا. داخل الغشاء، تلتف العزوم المغناطيسية للذرات في شكل حلزوني، مثل سلم حلزوني. غيّر التمدد هذا السلم: أصبحت الخطوة أقصر، ومال المحور نفسه. السبب يكمن في الأكسجين. الشبكة الممدودة تفقد ذرات الأكسجين بسهولة أكبر، تاركة فراغات.

المعدن المنصهر يشبه قاعة مكتظة ينتظر فيها الجميع إشارة لبدء الرقص. التبلور هو تلك اللحظة التي يتحول فيها الفوضى إلى نظام. لكن لكي يبدأ الرقص، نحتاج إلى خطوة أولى: ظهور نوى بلورية دقيقة. عادةً، يتطلب ذلك تبريدًا شديدًا للمعدن. واتضح أن الهزّ البسيط يمكن أن يغني عن جزء من التبريد. استخدم الباحثون بدلًا من المعدن الحقيقي "توائمه" — سبائك منخفضة الانصهار وسوائل عضوية شفافة.