انتقال الحرارة

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.

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).

أوركسترا متجمدة، حيث يتبادل العازفون أماكنهم عندما يضع قائد الأوركسترا المغناطيسي مقطوعة جديدة. في بلورة الإسبينيل، تجلس ذرات الحديد والمغنيسيوم في نوعين من المقاعد: بعضها محاط بأربعة جيران، والبعض الآخر بستة. في درجة حرارة الغرفة، تتحرك قليلًا فقط، لكن بمجرد تبريد المادة إلى 5 كلفن، تبدأ هجرة جماعية. الحركة الحرارية تكاد تنعدم، ومع ذلك يتغير النظام جذريًا.

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).

يمر شعاع ليزر عبر كوفيت زجاجي يحتوي على بخار السيزيوم. تتحرك الذرات في البخار بشكل عشوائي، مثل حشد في محطة قطار: كل ذرة تدخل الشعاع، وتمكث فيه لحظة، ثم تخرج منه. حالتها الداخلية — اتجاه العزم المغناطيسي، الذي يشبه مغناطيسًا صغيرًا — تتغير تحت تأثير الضوء. لو كانت جميع الذرات متطابقة وساكنة، لكانت الإشارة ثابتة. لكن حركتها الحرارية تفسد الصورة، مولدةً تذبذبات.

رقاقة دقيقة بحجم الظفر تطلق من الحرارة ما يعادل ما تطلقه مصباح صغير. تبديد هذه الحرارة يشبه محاولة إفراغ كوب من الشاي الساخن بملعقة صغيرة: فالمادة العازلة حول الترانزستورات عادةً ما تكون رديئة التوصيل للحرارة.

في كوب ساخن، قد يتجمد الماء أحيانًا أسرع من الماء الدافئ. لهذه المفارقة أكثر من نصف قرن، وتُعرف بتأثير ميمبا. عادةً ما يُربط بحركة السائل أو التبخر. الآن أظهر الفيزيائيون أن خدعة مماثلة ممكنة حتى بدون ماء — فقط عبر الإشعاع الحراري. ثاني أكسيد الفاناديوم (VO₂) عند 68°م يغيّر بنيته البلورية فجأة — من عازل إلى معدن.

كوكب WASP-121 b هو عملاق غازي تصل حرارته إلى 2500 درجة مئوية. إنه يواجه النجم بوجه واحد على الدوام، مثل كرة أرضية ثابتة تحت مصباح. ولكن عندما يعبر أمام قرص النجم، يكشف دورانه لنا جوانب مختلفة — كما لو أن هذه الكرة الأرضية تدور ببطء لتسمح لنا بإلقاء نظرة على كل زواياها.

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.

قضيب معدني عند تسخينه يصبح فجأة صلبًا، ويفقد أو يكتسب خصائص مغناطيسية. في السبائك القائمة على النيكل والمنغنيز، لا تحدث هذه التحولات بشكل تدريجي بل بشكل قفزي — إذ تعيد الذرات ترتيب نفسها في نظام جديد، وتتغير سلوك المادة. في هذا العمل، درس الباحثون أربعة تركيبات قريبة جدًا من Ni-Mn-Cu-Ga، حيث تختلف نسبة النحاس بكسور من المئة فقط.

حبيبة ذهبية بحجم مئة ذرة تقع تحت شعاع ضوء فترتفع حرارتها. في الحياة العادية لا يشكل هذا الأمر خطراً، لكن في عالم تقنية النانو يمكن لهذا التسخين الضئيل أن يفسد مستشعراً حيوياً أو يحرق شريحة إلكترونية. لا يمكن وضع مروحة هنا: ففي هذه المقاييس الصغيرة، تحتبس الحرارة كما تحتبس في سترة شتوية سميكة.

بطارية الليثيوم أيون تشبه مبنى متعدد الطوابق، حيث تعيش أيونات الليثيوم في كل طابق. عندما تُشحن البطارية، تنتقل الأيونات من طابق إلى آخر، ويسخن المبنى بأكمله قليلًا. عادةً ما تتوزع هذه الحرارة بالتساوي، مثلما تتوزع حرارة الأرضية الدافئة. لكن في بعض الأحيان يصبح مكان واحد حارًا جدًا — وعندها قد يشتعل المبنى بأكمله. بنى العلماء نموذجًا يُظهر كيفية انتشار الحرارة داخل البطارية.

مئات الأشخاص على حلبة الرقص يقفون على مسافات متساوية بينهم — نظام صارم، مثل الشبكة البلورية. الموسيقى البطيئة هي الاهتزازات الحرارية، التي تجعل الراقصين يتمايلون قليلًا. إذا أصبحت الموسيقى أعلى وأسرع، ينهار النظام: يختلط الجميع. هكذا تدمر الحركة الحرارية الحالات المنتظمة للإلكترونات في المواد الصلبة.

في قناة رفيعة من أشباه الموصلات، لا تتصرف الإلكترونات كأفراد منفردين، بل كحشد في ساعة الذروة. إنها تتصادم مع بعضها البعض بين الحين والآخر، وهذه التصادمات هي التي تحدد مدى سهولة مرور الحرارة والتيار الكهربائي عبر المادة. عادةً، يسير هذان التدفقان جنبًا إلى جنب: فالمادة الجيدة في توصيل الكهرباء تكون جيدة أيضًا في توصيل الحرارة. تُعرف هذه القاعدة بقانون فيدمان-فرانز (Wiedemann-Franz law).

في البلورة العازلة، تنتشر الحرارة عادة من الطرف الساخن إلى الطرف البارد. ولكن عند تشغيل المجال المغناطيسي، ينحرف جزء من تدفق الحرارة إلى الجانب — مثل الماء الذي ينحرف قليلاً عن مساره عندما تدفعه الرياح أثناء تدفقه من التل. يُعرف هذا السلوك بالتأثير الحراري هول (thermal Hall effect).

إذا دفعت الحرارة عبر قطعة من الكوارتز، فإنها تسير عادةً في خط مستقيم، مثل الماء في أنبوب. ولكن بمجرد تشغيل مجال مغناطيسي، ينحرف التدفق قليلاً إلى الجانب، وكأن الأنبوب فجأة أصبح له فرع جانبي.

عادةً ما يعمل التيار في المعدن مثل الماء المغلي على الجليد: فهو يسخن المادة ويدمر النظام المغناطيسي. لكن في بنية طبقية من ثنائي تيلوريد التنجستن والمغناطيس الحديدي Fe3GeTe2، يتصرف التيار بشكل مختلف. فهو لا يسخن، بل يحرض داخل الطبقة المجاورة مجالًا مغناطيسيًا إضافيًا — كما لو أنك لا تذيب الجليد بل تجمده أكثر.

عادةً، للحصول على موجات تيراهرتز (وهي ضوء يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء)، يُبنى هيكل من طبقات معدنية مختلفة. في هذا الهيكل، تعمل إحدى الطبقات كمصدر والأخرى كمستقبل للشحنات. وكان البلاتين في مثل هذه التصاميم يؤدي دور موصل بسيط. لكن اتضح أنه يمكنه العمل بمفرده أيضًا.

غشاء رقيق من أكسيد النيكل بسمك يبلغ عشرات النانومترات — مثل ورقة مطوية مئات المرات. في درجة حرارة الغرفة، يوصل الكهرباء، لكن بمجرد تبريده قليلاً يصبح عازلاً. هذا الانتقال من موصل إلى عازل معروف منذ زمن طويل، لكن كيف تتصرف الحرارة خلاله ظل لغزاً.

السائل الذي يتدفق دون احتكاك هو الهيليوم-4 فائق الميوعة، وهي حالة غريبة من المادة عند درجات حرارة أقل من كلفنين. في الحجم الكبير، يحدث الانتقال إلى الميوعة الفائقة عند درجة حرارة نقطة لامدا، لكن في القنوات الضيقة يتغير كل شيء. حصر العلماء الهيليوم بين لوحين، تاركين فجوة لا تتجاوز 10–20 نانومترًا — أرق من فيروس الإنفلونزا.

حفنة من الرمل على طاولة مهتزة تشبه حشداً في حلبة رقص ما زال يحافظ على إيقاع الأغنية القديمة لثانية واحدة بعد أن شغّل الدي جي أغنية جديدة. أجبر العلماء طبقة رقيقة من الحبيبات على القفز على منصة تهتز عمودياً وغيّروا قوة الاهتزاز فجأة. بعد القفزة مباشرة، درجة حرارة الحبيبات — وهي مقياس للحركة العشوائية لحبيبات الرمل — لم تتصرف كما ينبغي أن تتصرف تحت القوة الجديدة.

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.

جسيمات متناهية الصغر تشبه الزهور تستطيع القيام بأمرين في آن واحد: التسخين والإخبار عن مدى سخونتها. هذا ليس خيالًا علميًا، بل نتيجة عمل على جسيمات نانوية من فريت الكوبالت — وهي مادة مغناطيسية تستجيب للمجال المغناطيسي. عادةً ما يتطلب التسخين وقياس الحرارة أدوات مختلفة، لكن هنا يجتمع كل شيء في جسيم واحد. كيف يعمل ذلك؟ توضع الجسيمات في مجال مغناطيسي متناوب، فتبدأ مغنطتها بالتذبذب.

الطاقة كتوقيع: إشارة النبضة المنقولة تكشف السر. هذا الاستعارة هي المفتاح لبروتوكول جديد لتوزيع المفتاح الكمومي، حيث يُستخدم نقل الطاقة عن بُعد بدلاً من قياس الحالات. في البروتوكولات القياسية مثل BB84 أو E91، يُستخرج البت السري من نتائج القياسات، لكن هنا يكون مخفيًا في ما إذا كان بوب قد استلم طاقة أو فقدها بعد العملية المحلية.

ثلاثون نانومترًا هي المسافة التي لا يزال فيها العدّاء الفونوني غير قادر على التسارع. في الأغشية الرقيقة من نيتريد الألومنيوم، تبقى المقاومة الحرارية شبه ثابتة حتى هذه السماكة: يحدث نقل الحرارة في النظام الباليستي، حيث تطير الفونونات (كمات اهتزازات الشبكة البلورية) دون تصادمات. بعد ذلك يبدأ الانتشار — تصادمات متكررة وزيادة في المقاومة مع السماكة.