الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية

كانت خرائط الكنز القديمة تُرسم بناءً على إشاعات: فمن وجد ذهبًا عند النهر، ومن وجده في الجبال، وكان كلٌّ يحفر في مكانه. حدث شيء مشابه مع الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة: وُجدت الكوبرات في مركبات معينة، وبكينتيدات الحديد في أخرى، والنيكيلات في ثالثة، دون وجود خريطة موحدة.

معدن مكوّن من خمس ذرات مختلفة، مثل حساء تطفو فيه قطع الجزر والبازلاء والبطاطس والبصل واللحم. كل قطعة هي عنصر خاص بها: الكروم والفاناديوم والتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم. تسمى هذه السبيكة عالية الإنتروبيا: لا يوجد فيها نظام بلوري واحد، والذرات مختلطة بشكل شبه عشوائي. عادةً ما تكون المغناطيسية والموصلية الفائقة في عداء.

داخل سندان ألماسي يضغط العينة بقوة تفوق الضغط الجوي بملايين المرات، يلتقي غشاء رقيق من اللانثانوم بالهيدروجين. يأتي الهيدروجين من أمين البوران (ammonia-borane) — مسحوق يُطلق هيدروجينه عند التسخين، مثلما تُطلق الإسفنجة الماء. خلال دقائق من التسخين بالليزر، يولد غشاء هيدريد اللانثانوم — مادة توصل الكهرباء دون مقاومة عند سالب 26 درجة مئوية.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. لكن إذا ضغطته قليلاً، مثل الزنبرك، تتغير خصائصه. لطالما أراد العلماء قياس كمية الحرارة التي تمتصها هذه المادة المضغوطة، لكن الأجهزة لم تكن تتسع في الجهاز الضيق. الآن توصلوا إلى طريقة لتجاوز هذه العقبة.

الموصل العادي يسخن عند مرور التيار فيه — جزء من الطاقة يتبدد على شكل حرارة. الموصل الفائق يخلو من هذا العيب: التيار الكهربائي يتدفق فيه دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. المشكلة أن معظم الموصلات الفائقة تعمل إما في درجات حرارة منخفضة للغاية أو عند ضغوط هائلة تضاهي الظروف في باطن الكواكب. يسعى الكيميائيون منذ زمن طويل إلى إيجاد مواد تكفيها ظروف معتدلة.

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.

وُضعت قطعة من غشاء أرق من شعرة الإنسان بين سنداني الماس وبدأ الضغط عليها. ارتفع الضغط — مئة ألف ضغط جوي، نصف مليون، مليون… والمادة واصلت توصيل التيار دون مقاومة. الضغط البالغ 210 جيجا باسكال يعادل وضع ألفي فيل على ظفر إبهام اليد. أظهر غشاء نيكلات اللانثانم-سترونشيوم (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) صورة مذهلة.

تتصرف العديد من المواد مثل الجليد المتقلب: فهي تذوب عند ضغط معين، وتزداد صلابة عند ضغط آخر. والموصلات الفائقة من عائلة الكوبرات ليست استثناءً. فقدرتها على توصيل التيار دون فقدان تعتمد على مدى انضغاط الشبكة البلورية. في الدراسة الجديدة، تتبع الفيزيائيون هذا الاعتماد لمركب Bi-2223.

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.

عائلة النيكلات هي بلورات طبقية تشبه كومة من الفطائر: طبقات النيكل والأكسجين تتناوب مع طبقات اللانثانوم. قبل عامين اكتُشف فيها الموصلية الفائقة — القدرة على توصيل التيار دون مقاومة عند التبريد. لكن بيانات المختبرات المختلفة تباينت وكأن كل مختبر يقيس مادة مختلفة. قررت مجموعة من الباحثين معرفة السبب.

فيلم مغناطيسي رقيق يشبه صفًا من الجنود الصغار بإبر مغناطيسية صغيرة. في العالم المسطح، تهز الصدمات الحرارية هذا الصف بسرعة — أدنى تسخين يدمر النظام. هكذا يعمل حظر ميرمين-فاغنر (Mermin–Wagner): في بُعدين، لا ينجو التناظر المستمر عند درجة حرارة محدودة. لكن بمجرد نقل المغناطيس إلى سطح منحنٍ مثل السرج أو ورقة ملفوفة، تتغير القواعد.

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.

الموصلات الفائقة — مواد قادرة على توصيل التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة — تتطلب عادةً تبريدًا شديدًا. لكن مركب Hg1223، المكون من الزئبق والباريوم والكالسيوم والنحاس والأكسجين، يتحدى هذه القاعدة: فمقاومته الكهربائية تنعدم عند -139 درجة مئوية. آلية هذه الظاهرة متناقضة: التنافر الكولومبي القوي بين الإلكترونات يجبرها على الاقتران في أزواج كوبر.

شطيرة، حيث بدل الخبز طبقات من أكسيد النحاس، وبينها طبقة رقيقة من أيونات السترونشيوم. هذا هو الكوبرات ذو الطبقات اللانهائية، أبسط أنواع السيراميك فائق التوصيل، الذي ابتُكر قبل ما يقرب من 40 عامًا. فيه كل ما يلزم للموصلية الفائقة: شبكات مربعة منتظمة من النحاس والأكسجين، تفصلها ذرات فاصلة.

في المعادن المألوفة لدينا مثل النحاس، تتحرك الإلكترونات بشكل شبه مستقل — مثل السيارات على طريق سريع مفتوح. تنشأ المقاومة بسبب التصادمات النادرة، ويمكن وصفها بصيغ بسيطة. لكن هناك فئة كاملة من المواد — من سيراميك الكوبرات إلى الغرافين الملتوي — حيث فوق درجة حرارة الانتقال الفائق، كل شيء يسير بشكل مختلف.

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.

حافلة مكتظة، حيث كل راكب هو إلكترون. في الموصل الفائق، يتحد الركاب في أزواج ويتحركون بتناغم دون فقدان للطاقة. لكن في الموصلات الفائقة ذات الحرارة العالية، مثل الكوبرات (cuprates)، تعمل هذه الصورة المثالية فقط عند إضافة ركاب إضافيين. أما إذا أنزلنا بعض الركاب، تبدأ الأزواج في التصرف بغرابة. قام مؤلفو العمل برسم خريطة للحالات لنموذج هوبارد.

بلورة نحاسية تُضغط في ملزمة من الألماس. يزداد الضغط، وداخل المادة يدور صراع بين حالتين: إحداهما تُعدّ الإلكترونات للموصلية الفائقة، والأخرى تعيقها عن الاقتران. تابع العلماء هذا الصراع باستخدام ومضات ليزر فائقة القصر. التحليل الطيفي أظهر أن درجة الحرارة التي تظهر عندها فجوة الشبه-فجوة (حالة تكون فيها الإلكترونات محجوبة جزئياً) ترتفع مع الضغط.

الترانزستور العادي في هاتفك يُصنع داخل غرفة مفرغة، حيث تترسب الذرات طبقة فوق طبقة. مكلف وبطيء. لكن أكسيد الإنديوم يمكن طباعته مثل الحبر — من قطرة معدن سائل تتغطى تلقائيًا بغشاء أكسيد رقيق عند ملامستها الهواء. أخذ الباحثون الإنديوم، صهروه، ولفّوه على ركيزة عند 250 درجة. النتيجة: طبقة متعددة البلورات بسماكة 5 نانومتر فقط — أرق بألف مرة من شعرة الإنسان.

الموصلية الفائقة هي أن يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. عادةً ما تظهر في درجات حرارة منخفضة جدًا، لكن هناك مواد تظهر فيها عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق إلى ذلك هو ما يسمى بالنطاقات المسطحة: مناطق في الطيف الطاقي حيث تكاد الإلكترونات لا تتحرك، لكنها تتفاعل بشدة مع بعضها البعض.

في قدرٍ من الماء المغلي، تولد فقاعات البخار وتنفجر، لكن الماء نفسه يبقى سائلًا. شيء مشابه يحدث في غاز ذري فائق البرودة: الذرات تشكل أزواجًا باستمرار ثم تتفرق من جديد، رغم أن السيولة الفائقة لم تتحقق بعد. ولهذا السبب تظهر في طيف الجسيمات «منطقة ميتة» — فجوة زائفة، حيث لا يمكن للطاقة أن تأخذ قيمًا معينة. التقلبات الزوجية هي مفتاح الفهم.

سلك رفيع من مادة جديدة ينقل الكهرباء دون فقدان إذا تم تبريده إلى ثلاث درجات فوق الصفر المطلق. الأمر يشبه الماء الذي يتدفق في أنبوب دون أن يواجه احتكاكًا بجدرانه. المادة تُدعى PtPb3Bi، وخصوصيتها تكمن في بنيتها الداخلية التي تشبه حزمة خيوط: الإلكترونات تجري بحرية على طول الخيط، لكنها تجد صعوبة في القفز بين الخيوط.

أحياناً تسلك الإلكترونات في البلورة سلوك الجمهور في الملعب الذي يصنع «موجة»: مناطق ذات كثافة أعلى تتناوب مع مناطق شبه خاوية. تسد هذه الموجة طريق الحركة الحرة للشحنات — فلا تكون المادة موصلاً فائقاً في الظروف العادية. لكن بمجرد تطبيق الضغط، تختفي الموجة وتبدأ الإلكترونات في الحركة دون فقدان.

النيوبيوم معدن، عند تبريده إلى بضع درجات فوق الصفر المطلق، يوصل التيار بدون مقاومة. في المختبرات، يُطلى على شكل مسارات رفيعة على ركيزة، مثل تزيين الكعكة بالكريمة. لكن أثناء عملية الطلاء، يتسرب الأكسجين من القناع الخاص إلى المعدن، مما يفسد خصائص الموصلية الفائقة.

غشاء رقيق كخيط العنكبوت، مصنوع من خمسة معادن، تلقى ضربة الليزر. ارتفع الضغط داخله إلى 55 جيجاباسكال، وهو ما يعادل وضع مئة فيل على ظفر إصبع. تحملت السبيكة الصدمة وانضغطت لجزء من النانوثانية لكنها لم تنكسر. الجيجاباسكال الواحد يساوي ألف ميجاباسكال.

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.

قطعة من تيلوريد الفضة والأنتيمون تشبه الإسفنجة: فهي تمتص الحرارة بسهولة وتحولها إلى كهرباء. تُسمى هذه المواد بالمواد الحرارية الكهربائية، وهي تعمل بالفعل في المسابير الفضائية وثلاجات السيارات. لكن إذا ضغطت هذه الإسفنجة، فإنها تبدأ في التصرف كموصل فائق — يتدفق التيار دون أدنى مقاومة.

ينزلق الجليد من تحت شفرة التزحلق كما تنزلق قطعة الصابون من اليدين المبللتين. ظل العلماء يتجادلون لمئة عام حول مصدر هذه الزلوجة. قال البعض: توجد بالفعل طبقة رقيقة من الماء على السطح، وهي التي تعمل كمواد تشحيم. وعارض آخرون: الماء لا يظهر إلا عندما تبدأ الحركة، بفعل الاحتكاك. في دراسة جديدة، جمع الفيزيائيون بين النهجين معًا — واكتشفوا من كان على حق.

الموصلية الفائقة هي قدرة المادة على توصيل الكهرباء دون فقدان. الأسلاك العادية تسخن، ويذهب جزء من الطاقة في صورة حرارة، بينما الموصل الفائق يمرر التيار دون مقاومة. لكن حتى الآن، كان يُحصل على هذه الحالة فقط في درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، مما يعيق تطبيقها في الحياة اليومية.

أصبحت الرقائق داخل الهواتف الذكية والحواسيب أكثر كثافة: مليارات الترانزستورات معبأة على قطعة سيليكون بحجم الظفر. وعند عملها، تطلق حرارة كأنها أفران صغيرة. إذا لم تُصرَّف هذه الحرارة، يسخن الشريح ويبدأ في الأعطال أو يتلف. يبحث المهندسون عن مواد يمكن وضعها فوق الدائرة بطبقة رقيقة لتصريف الحرارة دون إعاقة الإشارات الكهربائية.

الماء في قدر عند تسخينه لا يغلي، بل يتحول إلى جليد. هذا تقريبًا ما تفعله الذرات فائقة البرودة في شبكة بصرية (optical lattice) — وهي شبكة بلورية ضوئية تثبّت الذرات في أماكنها. قام العلماء بمحاكاة هذا النظام على الكمبيوتر لفهم كيف يتغير النظام مع ارتفاع درجة الحرارة.

الموصل العادي يمرر التيار بالتساوي في الاتجاهين، مثل باب يُفتح إلى الداخل وإلى الخارج. أما الصمام الثنائي فهو باب بمزلق: في اتجاه واحد ينفتح بسهولة، وفي الاتجاه الآخر يصطدم. اكتشف العلماء أن موصلًا فائقًا قائمًا على أكسيد النحاس (Tl₂Ba₂CaCu₂O₈) يتصرف مثل هذا الباب عند درجة حرارة 100 كلفن (−173 درجة مئوية)، رغم عدم وجود أي مغناطيس قريب.

قضيب معدني من خمسة معادن مختلفة — الهافنيوم والنيوبيوم والاسكنديوم والتيتانيوم والزركونيوم — موضوع داخل فرن. بعد تسخينه إلى 600 درجة، تظهر داخله مناطق تشبه نمطًا من معدنين مختلطين، مثل عروق الرخام. هذه المناطق بالتحديد هي التي تجعل السبيكة بأكملها تنقل التيار الكهربائي دون فقدان عند درجة حرارة منخفضة جدًا — حوالي −263 درجة مئوية.

السبيكة المعدنية تشبه الكوكتيل: تمزج عدة عناصر فتحصل على مادة بخصائص جديدة. لكن بينما يتذوق الساقي المشروب ليعرف طعمه، يحتاج المهندسون إلى معرفة مسبقة بكيفية تصرف السبيكة أثناء العمل.

داخل خلية الوقود، يجب أن تندفع البروتونات بسرعة عبر المادة الصلبة، مثل الركاب عبر بوابات الدخول في ساعة الذروة. إذا كانت البوابات نادرة وضيقة، كان التيار ضعيفًا. سابقًا، للعثور على مادة ذات موصلية بروتونية جيدة، كان الكيميائيون يفحصون المركبات شبه عمياء، واحدًا تلو الآخر.

يسخن السلك العادي عندما يمر به تيار كهربائي. أما الموصل الفائق فلا يسخن. لكن几乎所有 الموصلات الفائقة المعروفة تعمل إما عند درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، كما في أعماق الكواكب. لطالما بحث العلماء عن مادة تستغني عن هذه الحالات القصوى. في الدراسة الجديدة، استُخدم مركب من الليثيوم والنحاس والهيدروجين — Li3CuH4. بداخله طبقتان بطبيعتين مختلفتين.

الإلكترونيات تسخن. كلما كان المعالج أقوى، زادت الحرارة التي يجب تصريفها، وإلا تعطل. أحد المواضع الحرجة هو الحدود بين مادتين: تصطدم الحرارة بها كما تصطدم بالشق بين البلاطات، فتبطئ. صنع العلماء وصلة بين نيتريد الألومنيوم وكربيد السيليكون شبه مثالية الاستواء، دون أي فراغ. تمر الحرارة عبرها دون خسائر تقريبًا.

فوتون الأشعة السينية يدخل إلى المستشعر مثل حصاة تُلقى في ماء هادئ. الماء هو غشاء رقيق من الألومنيوم والمنغنيز، مبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق. من أثر الاصطدام، تنتشر موجة حرارية عبر الغشاء، ومن ارتفاعها يمكن معرفة مقدار الطاقة التي حملها الفوتون.

في الشبكة البلورية لسيلينيد الحديد، تتناوب ذرات الحديد والسيلينيوم مثل الطوب في البناء. لكن في بعض الأحيان، تتسلل ذرات حديد إضافية إلى الفراغات بينها، مثل ضيوف غير مدعوين يحشرون أنفسهم في الشقوق بين الطوب. فقط 3% من هؤلاء "الضيوف" تكفي لاختفاء الموصلية الفائقة: تتوقف المادة عن توصيل التيار دون مقاومة.