موصلية الغرافين الفائقة

تخيّل ثقبًا صغيرًا جدًا في صفيحة غرافين: ذرة كربون واحدة غائبة. كان يُعتقد سابقًا أن جزيء الماء لا يتفكّك عند هذا العيب إلا منفردًا، في غاز جاف. لكن إذا كان الماء السائل يتلاطم حوله، يتغيّر كل شيء. يبدأ العيب بالعمل كيانوس بوجهين: يمكنه أن يستقبل إما الهيدروجين وإما الهيدروكسيل، والماء يختار المسار بحسب ما يحيط به.

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.

جزيء التريبتيسين يشبه نجمة ثلاثية الأشعة ذات أذرع صلبة. عندما تُنثر هذه النجوم على سطح الرصاص، تترتب تلقائيًا في نمط يشبه السلة المنسوجة: تتناوب المثلثات والسداسيات، وفي كل عقدة لا توجد نجمة واحدة بل زوج منها. تسمى هذه الشبكة كاغومي ثنائية الذرة، وقد وعد المنظرون منذ زمن طويل بأن حالات إلكترونية خاصة يجب أن تعيش على حوافها، تمامًا كما على حافة صفيحة الغرافين.

يتدفق التيار في المعدن العادي مثل حشد من الناس في شارع مستقيم: كل إلكترون مستقل بذاته، وإذا تم تطبيق مجال مغناطيسي، ينزاح الحشد كله قليلاً إلى الجانب. يُسمى هذا الانزياح تأثير هول. لكن في "المعادن الغريبة" — المواد التي تتصرف فيها الإلكترونات ليس كجسيمات منفصلة بل ككل واحد — تنهار الصورة. في هذا العمل، درس الباحثون الموصل الفائق BaFe2(As1-xPx)2 بتغيير نسبة الفوسفور x.

في الممر الضيق، لا يسير الناس كحشد، بل في صفوف. عدد الصفوف يعتمد على عرض الممر. في الغرافين، يلعب التلامس النقطي الكمومي دور هذا الممر - وهو انقباض حيث تتحرك الإلكترونات باليستياً دون تشتت. بوابتان بفجوة 75 نانومتر تُنشئان هذا الممر، وبوابة ثالثة تغير عرضه، فتفتح أو تغلق الأنماط الكمومية - "صفوف" متقطعة للإلكترونات. كل نمط جديد يضيف درجة إلى الموصلية.

في غرفة مظلمة، بالكاد يُسمع همس. لتمييز الكلمات، عليك الاقتراب كثيرًا — أو نصب العديد من الميكروفونات الحساسة. هذا تقريبًا ما يفكر فيه مؤلفو العمل الجديد: يضعون «آذانًا» كمية داخل الرنان نفسه، حيث تتحول الموجة الثقالية عالية التردد إلى صدى كهرومغناطيسي.

الغرافين، ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة، تتصرف مثل سطح ماء هادئ — حتى يظهر التوصيل الفائق. عندها، تنتشر عبره موجات غير عادية، مثل دوائر تتشكل عند رمي حجر في الماء: أزواج من الإلكترونات تتحرك دون احتكاك. لكن في حالة خاصة، حالة كيرالية، تلتف هذه الموجات في اتجاه واحد، مثل الماء في مصرف حوض الاستحمام.

عادةً لا يتوافق الموصل الفائق مع المغناطيس: فالمجال القوي يدمر الحالة التي يمر فيها التيار دون مقاومة. لكن في الطبقات الرقيقة من الكربون، الأمور مختلفة.

الغرافين — بلورة كربون ثنائية الأبعاد — لطالما أغرت الفيزيائيين بأمل التوصيل الفائق في درجات حرارة عالية. إلكتروناته تخضع لمعادلة بول ديراك النسبية، وتندفع بسرعة هائلة، بالكاد تلاحظ بعضها البعض.

في داخل البلورة، تنطلق سيمفونية خفية: العزوم المغناطيسية للذرات، مثل عازفين في أوركسترا، تتوافق تارة في انسجام، وتتناثر تارة أخرى في تنافر. يقود هذه القيادةَ التبادلُ الكمومي — موسيقى حساسة لهندسة الروابط. وفق قواعد غودينف-كاناموري-أندرسون، تحدد الزاوية M–X–M بين الأيون المغناطيسي والربيطة والأيون المغناطيسي المجاور ما إذا كانت السبينات تتجه في اتجاه واحد أم تتفرق.

مفتاح يعرف بنفسه إلى أين يتدفق. هكذا يعمل صمام جوزيفسون الثنائي (Josephson diode) — جسر فائق التوصيل يمر فيه التيار في اتجاه واحد عن طيب خاطر، بينما يصطدم في الاتجاه الآخر. في العمل الجديد، صُنع هذا الجسر من الغرافين — ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة. ظهر التأثير عندما طُبّق مجال مغناطيسي ضعيف على الجهاز — بضع ميلي تسلا فقط.

طبقتان رفيعتان كالورق من مادة شبه موصلة توضعان فوق بعضهما وتُلفان قليلاً — بزاوية تتراوح بين ثلاث وأربع درجات. الشبكات الذرية لا تتطابق، وينشأ نمط كبير — نمط موريه (moiré)، يشبه تموجات لوحين للغسيل مزيحين بزاوية صغيرة. في هذا النمط، تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية.

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.

قماش يتمدد في اتجاه واحد فقط، وليس في الاتجاه العرضي. هكذا تقريبًا تعمل المادة شبه ديراكية: ففيها يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية في اتجاه واحد، بينما في الاتجاه الآخر لا تكاد تتحرك من مكانها. وبسبب هذا التباين غير المعتاد، تظهر على حواف البلورة ثنائية الأبعاد مسارات خاصة — قنوات أحادية البعد. تجري الإلكترونات على طول هذه القنوات فقط، وكأنها ماء في ميزاب.

ورقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون بسمك ذرة واحدة. إذا طُويت عدة أوراق مع إزاحة خاصة، نحصل على مادة بخصائص غير عادية: يمكن أن تكون مغناطيسًا أو موصلًا فائقًا اعتمادًا على طريقة التأثير عليها. المشكلة أن مثل هذه الطبقات "المزاحة بشكل صحيح" نادرة في الجرافيت الطبيعي، ومن الصعب زراعتها صناعيًا.

كربيد السيليكون مادة تُصنع منها دروع الإلكترونيات. إنه يتحمل الحرارة والصدمات والإشعاع، مثل البلاط الخزفي على الجزء السفلي من المركبة الفضائية. ولكن حتى هذا الدرع له نقطة ضعف: فالتلامسات المعدنية العادية تتلف بسرعة تحت الأشعة السينية. في العمل الجديد، استُبدل التلامس بطبقة من الغرافين — وهي طبقة كربونية بسماكة ذرة واحدة.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة معلّقة في الهواء مثل ملاءة مشدودة. تنتقل عبره موجات حرارية — اهتزازات ذرية يسميها الفيزيائيون فونونات (phonons). كان يُعتقد سابقًا أن هذه الموجات تتبدد بسرعة بسبب التفاعل القوي، وأن الحرارة تنتقل بشكل سيئ. لكن التجارب أظهرت العكس: الحرارة تنتقل بشكل أفضل مما كانت تشير إليه الحسابات القديمة.

ورقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون بسماكة ذرة واحدة. تظهر عليها أدق الشوائب، مثل ذرات الغبار على زجاج النظارات. قبل عشر سنوات، تعلم العلماء إخفاء الغرافين بين طبقات نيتريد البورون (boron nitride) — وكأنك تضع ورقة هشة بين قطعتين من غلاف بلاستيكي للطعام. ولكن حتى في هذا الغلاف بقيت شوائب مشحونة تعيق حركة الإلكترونات بحرية.

صفيحة الغرافين — وهي شبكة كربونية بسماكة ذرة واحدة — تحت شعاع ليزر قوي تتصرف مثل طريق يظهر فيه فجأة حاجز. الإلكترونات التي كانت تجري بحرية عبر المادة تصطدم بمنطقة محظورة: فجوة من الطاقات لا يمكنها تجاوزها. في السابق، كان هذا متوقعًا نظريًا، لكن لم يسبق رؤيته بالعين المجردة. مجموعة دولية من الفيزيائيين سلّطت على الغرافين نبضات ضوء قصيرة وقوية.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة تشبه شبكة معدنية مرنة تندفع عبرها الإلكترونات دون عوائق تقريبًا. اطوِ ورقتين منها مع إزاحة طفيفة، وستتغير خصائص المادة جذريًا: فقد تصبح عازلًا لا يمرر التيار. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أن هذا التبدل في الأدوار يمكن استدعاؤه بمجالات ضعيفة إذا أُخذ في الاعتبار عدم تماثل ضئيل في ترتيب الذرات.

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.

تُلف ورقة الغرافين بسمك ذرة واحدة بزاوية صغيرة، فتبدأ بالتصرف مثل كعكة ذات طبقات، حيث تكون الطبقات مستدارة قليلاً بالنسبة لبعضها البعض. عند زاوية معينة من الدوران، تصبح هذه المادة موصلًا فائقًا: تبدأ الإلكترونات بالتحرك في أزواج، مثل الراقصين في رقصة الفالس، دون فقدان الطاقة. لكن ما يحدث بالضبط في الداخل ظل لغزًا حتى الآن.

غالبًا ما تُبنى الدوائر فائقة التوصيل على وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) — وهي أماكن يتدفق فيها التيار دون مقاومة عبر حاجز رقيق. عادةً ما يكون هذا الحاجز طبقة أكسيد، لكن من الصعب التحكم في خصائصها على المستوى النانوي. في العمل الجديد، يصبح الحاجز طبقة رقيقة من نيتريد النيوبيوم أو التيتانيوم، محصورة بين طبقات من النيوبيوم.

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.

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.

البزموت ثنائي الأبعاد على ركيزة سيليكونية مادة واعدة لإلكترونيات المستقبل. حوافه توصل التيار دون خسائر، مثل طريق سريع بلا إشارات مرور. لكن البزموت نفسه حساس: فالهواء والرطوبة يفسدان خصائصه بسرعة. وجد الكيميائيون حلاً: وضعوا البزموت تحت طبقة من الغرافين، وهي غشاء كربوني قوي بسماكة ذرة واحدة.

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.

الموصل الفائق العادي والمجال المغناطيسي مثل الماء والنار: فالمجال يكسر أزواج الإلكترونات التي تنقل التيار دون مقاومة. ولكن بدلاً من فيلم متصل، إذا استخدمنا حبيبات ألومنيوم دقيقة متناثرة، كل منها مغطاة بطبقة رقيقة من الأكسيد، يتغير الوضع. هذه الحبيبات، المترسبة على رقاقة من الجرمانيوم والسيليكون، تتحمل مجالاً موجهاً على طول السطح وعرضه.

تُوضع صفيحة كربون رقيقة جدًا بسماكة ذرة واحدة في مجال مغناطيسي قوي وتُبرَّد إلى أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق. ينزلق مجهر ميكروويف على طول حافة الصفيحة ويقيس مدى جودة توصيل هذه الحافة للكهرباء. عند الشحنة المتعادلة، عندما تكون الإلكترونات والثقوب متساوية، تتصرف الحافة بشكل مختلف عن وسط الصفيحة.

البلورة تشبه فسيفساء مرصوفة بشكل مثالي من الذرات. لكن زراعة مثل هذه الفسيفساء مهمة صعبة: أدنى خلل في الترتيب يؤدي إلى ظهور "درزات" — حدود لا تتطابق فيها صفوف الذرات. بالنسبة للإلكترونيات العادية، هذا أمر بسيط، أما بالنسبة للحاسوب الكمي فهو كارثة. البت الكمي (الكيوبت) يخزن المعلومات في حالة هشة تتدمر من أدنى اضطراب في المادة.

البلورات الطبقية للكوبرات تشبه كومة من الفطائر: كل فطيرة هي مستوى من ذرات النحاس والأكسجين، وبينها طبقات وسيطة من عناصر أخرى. عادةً ما تُدرس الموصلية الفائقة على الكومة بأكملها، حيث تؤثر الطبقات على بعضها البعض.

الموصل الفائق هو مادة يتدفق فيها التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا نشأت دوامات فيه، يبدأ التيار في «التعثر» بهذه الاضطرابات الصغيرة. في الغرافين الملفوف بزاوية خاصة، يمكن إنشاء مثل هذه الدوامات ودراستها واحدة تلو الأخرى. بنى العلماء جهازًا يشبه جسرًا ضيقًا بين ضفتين فائقتين للتوصيل.

شريط الغرافين بعرض تسع ذرات هو مسار تجري عليه الإلكترونات كما يجري الماء في قناة ضيقة. أشعة غاما هي تيار من الجسيمات بطاقة هائلة، قادرة على اختراق المعادن والبلاستيك. عندما يصطدم هذا التيار بالشريط، فإنه لا يكسر بنيته، بل يخدش سطحه قليلًا، تاركًا عليه ذرات أكسجين إضافية. جمع العلماء ترانزستورًا من هذا الشريط وعرّضوه لأشعة غاما.

الغرافين هو غشاء كربوني بسماكة ذرة واحدة، وهو موصل ممتاز. لكن سطحه مجعّد بطبيعته، مثل مفرش طاولة غير مكوي. صمّم العلماء «ساندويتشًا»: طبقتان من هذا الغشاء مضغوطتان بإحكام ضد بعضهما البعض عبر فاصل عازل لا يسمح بمرور التيار الكهربائي. في هذا الثنائي، تعمل كل طبقة على تنعيم تجاعيد الطبقة المجاورة — تمامًا كما يضغط نصفا الشطيرة على بعضهما فيجعلان السطح مستويًا تمامًا.

السلك العادي عند الترددات العالية يشبه طريقًا مليئًا بالحفر: الإشارة تقفز، وجزء من الطاقة يتحول إلى حرارة. أما السلسلة فائقة التوصيل المصنوعة من الألومنيوم وزرنيخيد الإنديوم (أشباه الموصلات) فقد تبين أنها طريق سلس للموجات الدقيقة. تحتوي السلسلة على العديد من الوصلات المتماثلة — وصلات جوزيفسون (Josephson junctions)، حيث يتدفق التيار دون مقاومة بفضل أزواج الإلكترونات الكمومية.

في الموصل الفائق العادي، تتحد الإلكترونات في أزواج تبقى ثابتة في مكانها — زخمها الكلي يساوي صفرًا. لكن هناك حالة مختلفة: تكتسب الأزواج زخمًا مشتركًا وتبدأ في الحركة، مثل سرب من الأسماك يسبح عكس التيار. تسمى هذه الحالة موجة الأزواج، وهي حالة صعبة التحقيق — تتطلب ظروفًا خاصة. في هذا العمل، درسوا بلورة يوجد فيها تجاذب بين الإلكترونات، وأضافوا إليها نمطًا مغناطيسيًا من نوعين.

الغرافين هو صفيحة من الكربون بسمك ذرة واحدة. إذا قُطعت إلى شرائح ضيقة، نحصل على شرائح الغرافين النانوية. تعتمد خصائصها على طريقة قص الشريط: فمن قطعة قماش واحدة يمكن خياطة مفرش طاولة أملس أو تنورة مجعدة. في العمل الجديد، صنع الكيميائيون شريطاً غير متماثل الشكل. فيه، وجدت جميع الإلكترونات الحرة على جانب واحد — كما لو أن جميع الضيوف في حفلة تجمعوا حول طاولة واحدة.

يتصرف الهيليوم على الغرافيت مثل بهلوان ينزلق على حبل مشدود ويحافظ في الوقت نفسه على شكله. عند درجات حرارة تبلغ 30 ميلي كلفن (أي أبرد بمئة مرة من الفضاء الخارجي)، اكتسبت الطبقة الثانية من الهيليوم على الغرافيت خصائص جديدة: أصبحت تتدفق دون احتكاك، وفي الوقت نفسه تقاوم الانضغاط مثل العسل الكثيف.

ورقة من الجرمانان بسماكة ذرة واحدة موضوعة على قطعة جرمانيوم — فيجري التيار عبرها كما يجري على طريق سريع بلا إشارات مرور. الجرمانان هو شبكة مسطحة من ذرات الجرمانيوم مغطاة بالهيدروجين، وهو قريب للغرافين.