تثبيت التدفق

راقصان على مسرح واحد: أحدهما يجذب شريكه نحو جهة، والآخر نحو الجهة المعاكسة. في بلورة Cu2(OH)3Br، المعروفة باسم بوتالاكيت، تترتب ذرات النحاس في سلاسل حيث تتوازى سبينات (عزوم مغناطيسية) الأيونات المتجاورة أحيانًا كما في الفيرومغناطيسية، وتتضاد أحيانًا أخرى كما في المغناطيسية المضادة.

فرن الميكروويف يسخّن الطعام، لكن في المختبر فعلت الموجات الميكروية شيئًا آخر: حوّلت الموصل الفائق إلى مغناطيس دائم. غشاء من أكسيد الإيتريوم-الباريوم-النحاس بسمك 300 نانومتر، مبرَّد إلى 80 كلفن، استجاب لإشعاع بتردد 5 غيغاهرتز.

في أعماق النجم النيوتروني، حيث تكون المادة مضغوطة إلى كثافة النواة الذرية، تشكل النيوترونات سائلًا فائق الميوعة، بينما تشكل البروتونات موصلًا فائقًا. الدوامة النيوترونية هي دوامة كمية في السائل فائق الميوعة، تشبه دوامة مائية مصغرة لا يمكن أن تتوقف. أنبوب التدفق البروتوني هو خيط كمي من التدفق المغناطيسي، أنبوب رفيع يخترق المجال المغناطيسي من خلاله الموصل الفائق.

السكيرميون هو دوامة مغناطيسية تشبه دوامة مائية مصغرة في البحر، حيث تلتف مغناطيسية المادة بدلًا من الماء. تُعتبر هذه البنى خلايا ذاكرة واعدة في حواسيب المستقبل، ولكن لتسجيل المعلومات وقراءتها يجب أن نتمكن من تحريك كل دوامة على حدة. حتى الآن، تعمل الطرق الحالية بشكل خشن، حيث تزيح العديد من السكيرميونات دفعة واحدة.

في أشباه الموصلات العادية، من الصعب الحصول على أمرين معًا: مغناطيسية قوية وزوج متماسك من إلكترون وثقب — وهو شبه جسيم ينشأ عند امتصاص الضوء. الشوائب المغناطيسية التي تجعل المادة ممغنطة تعيق في الوقت نفسه ارتباط الإلكترون بالثقب — فهي مثل الجيران المزعجين الذين لا يتركون الزوج يعيش بسلام.

إذا سكبت العسل في مصفاة ذات مئة ثقب صغير، فسيتدفق في خيوط رفيعة، لكن كل خيط سيلتف حول حافة الثقب. من المهم للمهندسين فهم هذه الدوامات: فهي تؤثر على سرعة ترشيح الماء، وخروج النفط من المكمن، وتسرب الدواء عبر الأنسجة. ولكن كلما زاد عدد الثقوب، زادت صعوبة حساب كل تفصيلة صغيرة عند الحافة بواسطة الكمبيوتر. الشبكة العصبية العادية، التي تُدرَّب على الأمثلة، تحاول تخمين التدفق في المصفاة بأكملها دفعة واحدة.

في الطبقات الرقيقة من بلورة سيلينيد التنتالوم (TaSe₂) اكتُشفت خاصية تتحدى الفيزياء المألوفة. عندما أُدخلت ذرات ضيفة بين طبقات هذه المادة، فقد البنية مركز التناظر الانعكاسي — وظهرت في داخله موصلية فائقة بحماية غير عادية. عادةً، المجال المغناطيسي القوي يدمر الحالة فائقة التوصيل، ممزقًا أزواج كوبر — الحالات المرتبطة من الإلكترونات ذات اللفات المتعاكسة.

بلورة اليورانيوم والزرنيخ (UAs2) تحت الضغط تتصرف كبيت بغرفتين. في إحدى الغرفتين، تجلس الإلكترونات في مكانها، وفي الأخرى تتجول بحرية. في الظروف العادية، هذا هو «كوندو الشبيكي» الكلاسيكي: إلكترونات ثقيلة شبه ساكنة في المدارات 5f5/2 محاطة ببحر من إلكترونات التوصيل السريعة. ينشأ نطاق مسطح — كرفّ لا تكاد توجد فيه سرعة للإلكترونات. وهذا بالضبط ما يُلاحظ في تجارب الانبعاث الضوئي.

89 ميلي ثانية. هذه هي المدة التي يستغرقها انهيار جليدي دوامي يعمل على تسريع دوران النجم النابض Vela فجأة – أحد أشهر النجوم النابضة القافزة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تنشأ من انهيار مستعرات عظمى.

بعد الانفجار العظيم، وفقًا لعلم الكونيات التضخمي، شهد الكون توسعًا سريعًا وسلسلة من التحولات الطورية. في هذه الفترة، كما يعتقد المنظرون، قد تكون تجمدت عيوب طوبولوجية في نسيج الزمكان — أوتار كونية، جدران مجال، أحاديات قطب. استمر البحث عنها لعقود، لكن لا توجد أدلة مباشرة حتى الآن.

تبشر الإلكترونيات السبينية بنقل المعلومات ليس بالشحنة بل باللف المغزلي، مما يُخلّص الإلكترونيات الدقيقة من عدوها الرئيسي: تسخين جول. تُعلّق آمال خاصة على العوازل المغناطيسية، حيث يمكن أن يحمل التيار السبيني داخلها مغنونات أو متكثف سبيني واحد - حالة كمومية عيانية، أشبه بـالناقل الفائق بلا مقاومة.

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.

لا تتوقف العوالم ثنائية الأبعاد عن الإدهاش: فحتى انصهار البلورة هنا ليس كسراً للتناظر، بل عرض دوامي اكتشفه كوسترليتز وتاولس. في قلب هذا المسرح تكمن التفردات الطوبولوجية، التي تتنافس طاقتها وإنتروبيتها من أجل انتظام النظام. هذه اللغة واحدة بالنسبة للميوعة الفائقة والموصلية الفائقة.

الخزّاف ينقش نقشًا على بلاطة طينية ما زالت رطبة باستخدام أداة حادة. حركة خاطئة واحدة — فينزلق الخط وتتشقق البلاطة. هكذا تقريبًا يتعامل الفيزيائيون مع أغشية الموصل الفائق عالي الحرارة YBCO (مركب من الإيتريوم والباريوم والنحاس والأكسجين). لكن أداتهم هي حزمة رفيعة جدًا من أيونات الهيليوم، والبلاطة هي طبقة سيراميك بسماكة مئات الذرات.

تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي مثل حشد فوضوي: فتصطدم ببعضها البعض وبعيوب الشبكة البلورية، فتفقد طاقة تظهر كمقاومة كهربائية. أما في الموصل الفائق، فتتحرك الإلكترونات بتناسق، كأزواج في رقصة منسقة، دون أن تصطدم ببعضها. وتتميز هذه الحالة بانخفاض الإنتروبيا — وهو مقياس للفوضى في النظام. هذا السلوك نادر في الفلزات النبيلة مثل الذهب والنحاس.

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.

الموصل الفائق يشبه رقصة دائرية مثالية للإلكترونات: تتحرك في أزواج دون فقدان الطاقة، مثل راقصين لا يخطئون أبدًا في الإيقاع. لكن بمجرد إضافة القليل من الشوائب المغناطيسية، يقتحم دخيلٌ الرقصة ويعطل الحركة المتناغمة. تنخفض درجة الحرارة التي تبدأ عندها هذه الرقصة.

طابور من الأشخاص يمسكون بأيدي بعضهم البعض لكنهم ينظرون في اتجاهات مختلفة: بعضهم نحو الشمال، وآخرون نحو الجنوب. هكذا يُبنى المغناطيس الموجي من النوع p. فالإلكترونات فيه ترتب عزومها المغناطيسية (لفاتها) ليس بشكل عشوائي، بل بنمط موجي صارم.

المجال المغناطيسي لا يخترق الموصل الفائق كتدفق متصل، بل على شكل خيوط رفيعة تُعرف بالدوامات. عادةً ما تتنافر هذه الدوامات وتترتب في شبكة مثلثية منتظمة، مثل العوامات على سطح الماء. لكن في CaSb₂ سارت الأمور بشكل مختلف: تجمّعت الدوامات في كتل متلاصقة، تاركة بينها فراغات شبه خالية.

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.

داخل الموصل الفائق، عادةً ما يلتف المجال المغناطيسي إلى أنابيب - دوامات، كل منها يحمل كمية واحدة من التدفق المغناطيسي. هذه هي الشبكة الكلاسيكية لأبريكوسوف. لكن في بلورات LiFeAs، الصورة مختلفة. التحليل الطيفي بالميونات أظهر أن المجال يخترق ليس بدوامات منفصلة، بل بشرائط. في كل شريط - أزواج من "الدوامات بلا قلب".

يتصرف الغاز فائق السيولة كسائل بلا احتكاك. ترتبط سحابتان من هذا الغاز بجسر ضيق، ويتدفق عبره تيار من الجسيمات. هذا يشبه تأثير جوزيفسون في الموصلات الفائقة، لكن بدل الإلكترونات توجد ذرات متعادلة. في الموصل الفائق، يُنشئ المجال المغناطيسي نمطًا من قيم قصوى ودنيا للتيار — مثل أشرطة ضوئية وداكنة من مصباح شارع عبر الستائر.

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.

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.

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.

في نقطة مغناطيسية متناهية الصغر، أصغر من ميكرون، تعيش دوامة — المغنطة ملتفة مثل الماء في قمع. في مركز هذا القمع يوجد قلب يدور في مدار صغير، كأنه قمة دوّارة دُفعت. إذا وجّهت إشارة ميكروويف إلى هذه النقطة، تستجيب الدوامة بتذبذب على تردد واحد — مثل وتر يُنقر بقوس. لكن إذا أزحت قلب الدوامة عن مكانه المعتاد بمجال مغناطيسي، يتغير السلوك.

غالباً ما يميز علماء الأحياء الخلايا بجزيئات مضيئة - وهذا أشبه بالبحث عن ضوء خافت وسط الدخان. الضوء ينطفئ بسرعة، والدخان يسبب تشويشاً. استبدل العلماء هذا النهج ببوصلة مغناطيسية: زوّدوا الخلايا بجسيمات نانوية ممغنطة، وتُقرأ إشاراتها بواسطة مستشعر ألماسي مزوّد بـ مراكز NV في مصفوفة الكربون - عيوب اصطناعية، تشبه إبرة البوصلة في…

إبرة البوصلة المغناطيسية تدور ببطء، لكن داخل بعض المواد، يمكن للعزوم المغناطيسية الصغيرة أن تنقلب في أزمنة يصعب تصورها. قامت مجموعة من الفيزيائيين بحساب كيفية جعلها تغير اتجاهها في جزء من مليون من جزء من مليار من الثانية. وهذا أسرع من ومضة مصباح. على سبيل المثال، أخذوا مادة Mn3Sn — وهي معدن حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات مصفوفة ليس بشكل متوازٍ بل بزاوية، مشكلة نمطًا مثلثيًا معقدًا.

الإلكترون الواحد في مجال مغناطيسي يشبه قمة دوّارة صغيرة تدور وتصدر «صريرًا» ضعيفًا بترددها الخاص. يكاد يكون من المستحيل سماع هذا الصرير مباشرة: فهو يغرق في الضوضاء. ابتكر العلماء رنانًا — شريطًا ميكروويفيًا فائق التوصيل يعمل مثل شوكة رنانة مضبوطة على نفس النغمة. عندما يقترب الإلكترون، يجعل صريره الشوكة الرنانة تصدر صوتًا أعلى، فيصبح الإشارة ملحوظة.

وُضعت ورقة رقيقة من الغرافين بسمك بضعة ميكرومترات في مجال مغناطيسي ضعيف، فبدأت تطرده من داخلها، كما تطرد الإسفنجة الماء إذا عُصرت. هذا التأثير، المعروف باسم تأثير مايسنر (Meissner effect)، هو العلامة المميزة للموصل الفائق: مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان.

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.

الموصل الفائق الصغير، المحلق فوق مغناطيس، هو أشبه بقطعة فلّين على سطح محيط غير مرئي. أدنى هبة من المادة المظلمة تجعله يرتجف. نظر العلماء في نوعين من هذه 'الرياح'. الأول — الموجات الثقالية، التي تمدد وتضغط الفضاء نفسه، مثل تموجات في نسيج الكون. الثاني — هبات مغناطيسية تحرض تياراً مباشرة في الحساس المحلق.

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.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة — مثل مفرش طاولة ناعم تمامًا تتدحرج عليه كرات إلكترونية. ضع حاجزًا كهربائيًا في مسار هذه الكرات — وعادةً سترتد إلى الخلف. لكن في الغرافين الأمر مختلف: في ظل ظروف معينة، تمر الإلكترونات عبر الحاجز دون أن تلاحظه، وكأنه جدار من الضباب. درس مؤلفو العمل الجديد نموذجًا ثنائي الأبعاد للإلكترونات في الغرافين تحت تأثير مجال كهربائي قابل للضبط.

الذرات المغناطيسية في الأجسام الصلبة تشبه إبر البوصلة: عادةً عند التبريد، تستقيم في اتجاه واحد — وهكذا ينشأ المغناطيسية. لكن في مادة TbInO3، تجلس إبر التربيوم على شبكة مثلثية حيث يستحيل إرضاء جميع الجيران في آنٍ واحد. إبرة تريد أن تتجه نحو الشمال، وأخرى نحو الجنوب، وفي النهاية لا تستطيع أيٌّ منها أن تستقر في وضع ثابت.

داخل المغناطيس توجد مناطق تتجه فيها جميع المغناطيسات الذرية في اتجاه واحد. بين هذه المناطق توجد منطقة انتقالية ضيقة حيث يتغير اتجاه المغنطة تدريجيًا. تسمى هذه المنطقة بالجدار المغناطيسي (domain wall). في السابق، كان يُعتقد أنها عديمة الوزن: بمجرد دفعها تتوقف فورًا. لكن التجارب الجديدة أظهرت أن للجدار قصورًا ذاتيًا. لا يمكنه التسارع أو التباطؤ لحظيًا. القصور الذاتي يجعل الجدار يشبه كرة ثقيلة.

تم تبريد بلورة يورانيوم بحجم حبة الأرز إلى خمسين جزءًا من الدرجة فوق الصفر المطلق. عند درجة الحرارة هذه، لا تنتقل الحرارة بشكل عشوائي، بل بدقة وفقًا لقواعد العالم الكمومي. وجّه العلماء الحرارة عبر العينة وراقبوا كيف تتوزع على المحاور المختلفة للبلورة — وهذا يشبه فحص الاتجاه الذي ينتشر فيه الماء بسرعة أكبر على ثنايا الورق.

المادة فائقة التوصيل العادية تطرد المجال المغناطيسي، لكن هذه الحلقة، على العكس، تولّد مجالًا مغناطيسيًا بداخلها. الحلقة مصنوعة من مادة Fe(Te,Se) — مركب من الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم، يفقد مقاومته الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

غشاء أشباه الموصلات بسماكة ذرة واحدة هو بمثابة غشاء رقيق مشدود. عند تعرضه للضوء، يومض: تولد فيه إكسيتونات — حالات مرتبطة من إلكترون وثقب، تتصرف كنقاط مضيئة وتتلاشى بسرعة عبر إعادة الاتحاد. في الأماكن التي تتعطل فيها البنية الذرية — مثل وجود فواصل أو طيات — يصبح التوهج غير مستقر: يرتجف وينقطع. يشبه ذلك وترًا معقودًا يصدر نغمة شاذة، مشوهًا اللحن الموسيقي.

بلورة أكسيد الأوزميوم OsO₂ تشبه مراهقًا عنيدًا: في الظروف العادية تتصرف كمعدن عادي، لكن بمجرد الضغط عليها بقوة أكبر، يتغير سلوكها. قام الفيزيائيون بزراعة هذه المادة على شكل بلورات مفردة عالية الجودة واكتشفوا أنه عند الضغط الجوي، يكون OsO₂ موصلًا جيدًا بسلوك سائل فيرمي واضح، حيث تتناثر الإلكترونات بشدة على بعضها البعض، مثل حشد في ممر ضيق.