تيار جوزيفسون

الطريق لا يُبنى بهدم المنازل المجاورة: أولاً تُفرش طبقة الأسفلت، ثم يُزال الزائد حتى يظهر سطح مستوٍ. هذا ما فعله فيزيائيون من هايدلبرغ عندما تناولوا إنتاج وصلات جوزيفسون، وهي شطائر صغيرة من موصل فائق وعازل يمر عبرها التيار دون مقاومة. سابقًا، كانت هذه الوصلات تُصنع بإزالة القناع الواقي، كما لو كنت تهدم المباني لإفساح المجال للطريق. كانت هذه الطريقة بطيئة وتترك حوافًا خشنة.

ثقب أسود صغير يخترق سحابة هيدروجين فيمدد الذرات كما لو كانت حلوى مطاطية. هكذا يبدو الموصل الفائق عندما يُحتجز فيه تيار غير متبدد: المادة التي يتدفق فيها الكهرباء دون فقدان تتحول إلى مغناطيس دائم مصغر.

المترجم في قاعة المحكمة يجب أن ينقل كل كلمة دون أن يشتت انتباهه بضوضاء القاعة. في العالم الكمومي، يلعب الرنان فائق التوصيل دور هذا المترجم، إذ يجب أن يفقد الفوتونات وفق جدول زمني صارم، دون أن ينحرف بتأثيرات دخيلة. سابقًا، كان يُستخدم الضخ الميكروويفي، لكنه هو نفسه كان يسبب تشويشًا، كما لو أن المترجم بدأ يصرخ بتعليقات الجمهور. الآن وجد العلماء طريقة أكثر هدوءًا.

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).

جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل هو أداة تلتقط مجالًا مغناطيسيًا أضعف بمليارات المرات من إبرة البوصلة العادية. بداخله جسر ضيق تنقطع فيه فجأة خاصية التوصيل الفائق. يعمل هذا الجسر مثل بوابة دوارة لتدفق المغناطيسي: بعدّ كمية الكمات التي مرت، يقيس الجهاز المجال. لكن المشكلة أن الجسر يُصنع من قطعتين من الموصل الفائق تُلحمتان تحت المجهر.

أنبوب الماء: كلما كان أوسع، مرّت كمية أكبر من الماء. وفي التلامسات فائقة التوصيل — وصلات جوزيفسون (جسور يمر عبرها التيار دون مقاومة) — الأمر عادةً كذلك: كلما كانت الموصلية أفضل في الحالة العادية، كان التيار فائق التوصيل المار عبرها أكبر.

وصلة جوزيفسون هي جسر من مادة فائقة التوصيل يفصل بين طرفيه طبقة عازلة رقيقة جدًا. يمر عبره تيار حتى في غياب الجهد الكهربائي. لكن عندما يصبح التيار كبيرًا جدًا، يبدأ الجسر في التذبذب، وتظهر على منحنى الجهد درجات منتظمة — درجات شابيرو. بين هذه الدرجات تختبئ فجوات غير مرئية حيث يتصرف النظام بشكل غريب. في السابق، كان يُنظر إليها على أنها مجرد فضول رياضي. مؤلفو الدراسة كشفوا في هذا الفضول ارتباطًا عميقًا.

قطرة بعد قطرة من الصنبور — أو تيار منتظم دون أي تموج. هكذا يبدو النمطان من التيار في وصلة فائقة التوصيل تقريباً. لكن دور الماء تلعبه أزواج كوبر — إلكترونات مرتبطة تتحرك دون مقاومة. في أحد الحدين، تتسرب الأزواج واحداً تلو الآخر، مثل قطرات نادرة: التيار يسري لكن مع خسائر. وفي الآخر، تتدفق كتيار واحد دون أي احتكاك.

التيار الكهربائي العادي يسخن الأسلاك — وهذا يعرفه كل من لمس شاحن هاتفه. لكن هناك تيارًا من نوع آخر: فيه لا تندفع الإلكترونات كجماعة في اتجاه واحد، بل تدور بشكل متزامن، مثل المتزلجين في التزلج الثنائي. هذا الدوران المتناسق يُسمى التيار المغزلي، وهو لا يصدر حرارة تقريبًا.

غشاء رقيق من بلورة خاصة — مثل ثنائي كبريتيد الموليبدينوم — موضوع على منصة المجهر. درجة الحرارة أعلى قليلاً من تلك التي تتحول عندها المادة إلى موصل فائق. في هذه اللحظة تبدأ حياة خفية في داخله: تظهر وتختفي أزواج إلكترونات للحظات — أزواج كوبر التموجية (اقترانات قصيرة العمر بين إلكترونين).

في العالم الكمي، هناك رقصته الخاصة. حلقتان فائقتا التوصيل، تحتفظ كل منهما بتدفقها المغناطيسي المُكمَّى، تتمايلان في فالس متزامن. بينهما فراغ، لا خطوط قوة، لكنهما تتبعان حركات بعضهما بدقة. تجسّد هذه الكوريغرافيا العجيبة حلماً قديماً: اختبار إمكانية نقل المعلومات الكمومية دون نقل طاقة، بالاعتماد فقط على الجهد الاتجاهي المتغلغل في كل شيء.

الكيوبتات فائقة التوصيل هي القلب النابض لـ الحواسيب الكمومية، لكن إيقاعها يضطرب بفقدان التماسك: حيث تذوب الكمومية في الضوضاء. البنى التقليدية إما تفقد دقة التحكم، أو تعتمد على المجالات المغناطيسية — وهذه، كقادة أوركسترا غير مدعوين، تُدخل تداخلاً متبادلاً. أليكسي كيتايف ابتكر الحماية التماثلية — وسيلة لترميز الكيوبت بحيث لا تراه ضوضاء الشحنة.

في حلقة فائقة التوصيل تشبه القرص، قد يمر التيار في اتجاه أسهل من الاتجاه الآخر. هذه الخاصية تسمى تأثير الصمام الثنائي. عادةً ما يكون اتجاهه محددًا بشكل صارم ببنية المادة. لكن في عمل جديد، أظهر الفيزيائيون أنه يمكن عكس اتجاهه، والفاعل هو عدد الدوامات المغناطيسية المحبوسة في الحلقة.

المفارقة الكلاسيكية لمبيمبا — تجمد الماء الساخن أسرع من البارد — ظلت تحير العلماء لقرون. لم تقدم الميكانيكا الإحصائية غير المتوازنة تفسيرًا إلا مؤخرًا: المسألة كلها تتعلق بالشروط الحدودية؛ فكأن النظام يبحث عن ذريعة «للاصطدام بالجدار» كي يسرع التبريد. هذا المبدأ نفسه، عند نقله إلى العالم الكمومي، يولد تأثيرًا أكثر إدهاشًا — اندفاع تبريد كمومي نفقي.

غالبًا ما يُصوَّر التوصيل الفائق على أنه رقصة متجمدة للإلكترونات: فهي تتحد في أزواج وتتحرك دون مقاومة، مثل متزلجين على جليد مثالي. لكن في الموصلات الفائقة عالية الحرارة، يتبين أن هذا الجليد ليس أملسًا تمامًا. كارل شفارتسشيلد أظهر يومًا كيف تحني المادة الزمكان؛ وهنا، مجال الأزواج نفسه يحني «ذاكرته» عن الحالات السابقة.

في بلورة CsV3Sb5-xSnx، التي تصبح موصلًا فائقًا عند درجات حرارة منخفضة، لا يسري التيار كتدفق متصل، بل عبر مسارات ضيقة متعرجة. ساعد في رصد هذه المسارات مجهر ماسح مزود بمستشعر حساس للمجال المغناطيسي، يلتقط أدق التيارات كما يفحص مسبار الصدى قاع البحر. الصورة تذكرنا بشبكة جداول تشق الصخر: بعض المناطق تسمح بمرور التيار، بينما تظل أخرى محجوبة.

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.

يشبه الكون كعكة متعددة الطبقات، حيث طبقتنا — النجوم والكواكب والبشر — ليست سوى واحدة من طبقات كثيرة. في الطبقة المجاورة، التي يسميها الفيزيائيون القطاع الخفي، تغلي عمليات خاصة بها. يحكي هذا العمل عن إحدى هذه العمليات — تحول طوري من النوع الأول، عندما تغير المادة حالتها فجأة، مثلما يتحول الماء إلى جليد.

فائق الصلابة هو مادة بلورية ومائعة في نفس الوقت. تُصنع من ذرات مبرَّدة إلى ما يقرب من الصفر المطلق. في بحث جديد، حصل الفيزيائيون على هذه المادة على شكل شبكة مثلثة من القطرات. كل قطرة تهتز بإيقاعها الخاص. عندما تختلف إيقاعات القطرات المتجاورة قليلاً، تنشأ دوامة كمومية في الفراغات بينها — مثل راقص يخرج من فتحة في حلقة الرقص.

في نظام أنابيب المياه، قد يتدفق الماء أحيانًا ليس كتيار متواصل، بل كدفعات متطابقة منفصلة — كما لو كان الصنبور يُفتح ويُغلق، ليسمح في كل مرة بمرور قطرة واحدة بالضبط. هذا تقريبًا ما يفعله التيار الكهربائي في الوصلات فائقة التوصيل التي تُسمى وصلات جوزيفسون. ففيها تتحرك الإلكترونات في أزواج، وفي ظروف معينة، يمكن للتيار أن يزداد ليس بشكل تدريجي بل بقفزات — على شكل درجات.

يمكن للأرجوحة أن تتأرجح بقوة أو بشكل بالكاد ملحوظ. عادة، إذا تُركت دون تدخل، تبقى في الوضع المختار. لكن في العالم المصغر، الأمر مختلف: غشاء صغير يهتز تحت تأثير شعاع ليزر يمكنه القفز تلقائيًا من سعة اهتزاز إلى أخرى. هذا يشبه الهروب من مدار إلى مدار مجاور، لكن ما يحرك هذا الهروب ليس صاروخًا، بل الضجيج الكمومي المنتشر في كل مكان.

الذرة مثل قائد الأوركسترا، والضوء داخل الرنان هو الأوركسترا. تبادل الطاقة بينهما، المعروف باسم تفاعل جينز-كمينغز (جزء من النموذج القياسي)، يسمح للذرة بتغيير إيقاع ونغمة التذبذبات بحركات "العصا". لكن حتى الآن، كان بإمكان القائد أداء عدد قليل فقط من المقطوعات المُعدّة مسبقًا — مجموعة الحالات المتاحة للمجال الضوئي كانت محدودة.

جسر من الألومنيوم بسماكة بضع ذرات هو قلب العديد من الأجهزة الكمومية. عبر هذا الجسر، يتدفق التيار دون مقاومة، ويمكن التحكم فيه بواسطة مجال مغناطيسي. تُسمى هذه الجسور وصلات جوزيفسون نسبةً إلى الفيزيائي البريطاني الذي وصف سلوكها. عادةً ما تُصنع باستخدام شعاع إلكتروني، لكن ذلك مكلف وبطيء. الطريقة الجديدة تستغني عن الشعاع الإلكتروني.

الذاكرة العادية في جيبك تسخن حتى عندما تكون خاملة. تخيل الآن ذاكرة لا تستهلك شيئًا تقريبًا في البرد - مثل ترمس لا يبرد. الموصل الفائق عند درجة حرارة الهيليوم السائل يوصل التيار دون فقدان، لكنه لم يكن قادرًا على تخزين البيانات. الخلية الجديدة تغير هذا.

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.

عندما تضغط على مفتاح الإضاءة، لا يضيء الضوء فورًا — تحتاج الإلكترونات في الأسلاك إلى وقت «لتتأرجح» وتنطلق معًا. في المعادن وأشباه الموصلات العادية، يكتسب التيار قوته تدريجيًا، مثل الماء في خرطوم عند فتح الصنبور للتو. لكن في مواد تُسمى أشباه الفلزات ذات الهندسة الكمومية، الأمر مختلف تمامًا: بمجرد تطبيق المجال، تنطلق الإلكترونات وكأنها بأمر «انطلق!» دون أي إحماء.

في عالم الموصلات الفائقة، لا تحب الإلكترونات العزلة. عادةً ما تتحد في أزواج — أزواج كوبر — وتتحرك دون مقاومة، مثل متزلجين فنيين يتكاتفان. لكن يمكن جعلها ترقص على أربع. يقترح مؤلفو هذا العمل مخططًا تولد فيه رباعيات كوبر — مجموعات من أربعة إلكترونات تتبادل الشركاء بإيقاع سريع. مفتاح هذه الرقصة هو نقطتان كموميتان، جزيرتان صغيرتان قادرتان على احتجاز الإلكترونات. وهما متصلتان بسلك معدني عادي وبضفتين فائقتين التوصيل.

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.

رقاقة الكم تشبه كعكة ذات طبقات: معدن فائق التوصيل، طبقة رقيقة من العازل، ثم معدن مرة أخرى. سابقًا، كانت الطبقات تُوضع عبر قناع بوليمري — مثل استنسل للطلاء. كان البوليمر يترك قطرات غير مرئية على السطح تفسد خاصية التوصيل الفائق وتعيق النقاء. الآن أُزيل القناع. بدلاً منه، تُحفر أخاديد في السيليكون — مثل أتلام في حقل مزروع. يُرش المعدن مباشرة في هذه الأخاديد، فيستقر بدقة دون فضلات كيميائية.

سيارتان متطابقتان تخرجان من خط التجميع نفسه. الهيكل، والعجلات، والمقود: كل شيء متطابق. فقط في إحداهما محرك بنزين عادي، وفي الأخرى محرك هجين يمكن ضبطه حسب الطريق. وإذا بالهجين يتعطل بعد بضعة كيلومترات، بينما البنزين يقطع عشرات الكيلومترات. هذا هو الحال تقريبًا مع نوعين من الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي اللبنات الأساسية للحاسوب الكمومي.

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.

النقطة الكمومية (quantum dot) هي كجزيرة صغيرة يمكن أن يستقر عليها إلكترون واحد أو عدة إلكترونات. في العمل الجديد، رُبطت هذه الجزيرة بـ«بحرين» من الإلكترونات: أحدهما مسطح كالفطيرة، والآخر حجمي كالمحيط. يمكن للإلكترونات أن تقفز من الجزيرة إلى البحرين وبالعكس، وتعتمد هذه القفزة على شكل موجة الإلكترون على الجزيرة.

في الرنان فائق التوصيل، لا ينعكس الضوء فحسب — بل يحتضن الكيوبت بقوة بحيث لم يعد من الممكن وصف رقصتهما المشتركة بالكتب المدرسية القديمة. أخذ الباحثون سلكًا نانويًا من زرنيخيد الإنديوم، وصنعوا منه كيوبتًا فائق التوصيل، ووضعوه في رنان ميكروويف.

الكيوبت الفائق التوصيل العادي يشبه أرجوحة تهزها أي نسمة هواء. أدنى تغيير في الشحنة الكهربائية المجاورة يفسد الحالة الكمومية. في العمل الجديد، صنع الفيزيائيون أرجوحة بقاعدة ثقيلة: الشحنة على جزيرة الكيوبت لا يمكن أن تتغير إلا في أزواج، كما لو كان يتم إلقاء العملات المعدنية في حصالة اثنتين اثنتين فقط. هذه هي الحماية من ضجيج الشحنة.

الحاسوب الكمومي مثل أوركسترا، حيث يجب على كل عازف أن يعزف نغمته دون نشاز. لكن الكوبيتات فائقة التوصيل تعاني من مشكلة شائعة: تتراكم شحنات عشوائية على أقطابها، فتنزلق "النغمة". يسمي المهندسون هذا انجراف انحياز الشحنة — وعادة ما يقاتلونه لسنوات.

الوصلة فائقة التوصيل هي كجسر ضيق بين ضفتين، يتدفق عبره التيار دون احتكاك. ضع هذا الجسر بالقرب من نجم ضخم، وسيشعر بأن الزمن يمرّ أبطأ عند سطحه. الساعات على الضفتين تدق بإيقاعين مختلفين، فيبدأ التيار بالتذبذب بشكل مختلف. لكن إذا كان النجم يدور ببطء، تصبح الصورة أكثر تعقيدًا. المكان من حوله ليس منحنيًا فحسب، بل هو أيضًا ملتوٍ، مثل الماء حول البالوعة.

الموصل الفائق ينقل التيار دون فقدان، مثل طريق مستوٍ تمامًا تسير عليه السيارات دون احتكاك. ولكن ماذا لو ألقينا الحجارة والحفر على الطريق؟ قرر العلماء اختبار ذلك بإضافة فوضى إلى مادة موصلة فائقة بسماكة ذرة واحدة. أخذوا طبقة رقيقة للغاية من مركب الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم — موصل فائق عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة العديد من المواد الأخرى.

الكيوبت، وهو خلية الحوسبة في الحاسوب الكمومي، يعيش لجزء من الألف من الثانية ثم ينسى حالته. أحد الأسباب هو وصلة صغيرة بداخله: طبقتان من الألومنيوم بينهما طبقة من أكسيد الألومنيوم بسمك نانومترين. تُسمى هذه الشطيرة وصلة جوزيفسون (Josephson junction)، ومن خلالها يتدفق تيار فائق التوصيل دون مقاومة.