تأثير 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.

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.

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.

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.

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.

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.

عند درجات حرارة منخفضة، تصبح العديد من المواد موصلات فائقة — حيث يتدفق التيار الكهربائي دون مقاومة. ولكن كيف ينشأ هذا السلوك إذا كانت الإلكترونات محبوسة في البداية في عازل؟ قبل نصف قرن، افترض فيليب أندرسون أن الإجابة تكمن في رقصة كمومية خاصة للجسيمات.

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.

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.

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.

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).

السيولة الفائقة — حالة تتدفق فيها المادة بدون احتكاك — ظلت بعيدة المنال في متكثفات بوز الإكسيتونات المتعادلة. على عكس الموصلات الفائقة، حيث يُطرد المجال المغناطيسي بتأثير مايسنر، هنا أصبح الصوت نفسه للسائل الكمي هو العلامة — سرعة الصوت.

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.

الشبكة العادية المكونة من أربعة مسارات ضوئية تشبه تقاطعًا بلا إشارة مرور: الإشارة تتجول في كل الاتجاهات وتختلط. لكن إذا نظرت إلى جزء فقط من المخارج، تتغير الصورة. ينشأ وهم بأن النظام فيه خسائر — رغم أن الطاقة في الحقيقة لا تذهب إلى أي مكان، بل تنتقل فقط إلى منافذ غير ملحوظة. هذا الوهم هو المفتاح إلى النقطة الخاصة. النقطة الخاصة هي حالة تندمج فيها موجتان في موجة واحدة وتبدآن في التغير ليس بشكل تدريجي بل بشكل قفزي.

في ممر طويل، يحاول حشد من الناس الابتعاد عن بعضهم البعض. في قاعة واسعة لكانوا تفرقوا ببساطة، لكن هنا تضغط الجدران بحيث يضطرون إلى التحرك في صف واحد، منسقين كل خطوة. بطريقة مماثلة تتصرف الإلكترونات في طبقات الغرافين الملفوفة بزاوية صغيرة جداً بالنسبة لبعضها البعض. حركتها محبوسة في نطاقات طاقة شبه مسطحة حيث يسود تفاعل قوي. في هذا الزحام، يمكن للإلكترونات أن تنظم نفسها بطرق مختلفة.

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.

عادةً ما تكون الموصلية الفائقة قصة عن البرد. كلما انخفضت درجة الحرارة، أصبح من الأسهل للإلكترونات أن تقترن في أزواج وتتدفق دون مقاومة. لكن في دراسة جديدة، زرع الفيزيائيون أغشية رقيقة من النيكيلات (nickelates) مع إضافة اليوروبيوم، ورأوا الصورة المعاكسة. عند درجات حرارة أقل من 2.6 كلفن، تصرف العينة كمعدن عادي ذي مقاومة.

الموصل الفائق يشبه طريقًا سريعًا مثاليًا بلا إشارات مرور: الإلكترونات تندفع دون عوائق. لكن بمجرد تطبيق جهد كهربائي، يتغير المشهد. في تجربة جديدة، اكتشف الفيزيائيون أن المجال الكهربائي يخترق الموصل الفائق ويخلق بداخله نمطًا مختلطًا.

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.

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.

يسقط حجر في بركة، فتنتشر دوائر على سطح الماء. تتحرك الموجات الطويلة والقصيرة بنفس السرعة: هكذا يتصرف الصوت العادي في أي وسط تقريبًا. لكن في السوائل الكمومية، قد يكون الأمر مختلفًا. درس الفيزيائيون سائلًا فائق السيولة تتحرك جسيماته على نطاق طاقة "مسطح". يشبه ذلك طريقًا سريعًا بلا صعود أو هبوط: السرعة لا تتغير، والطاقة تبقى ثابتة.

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.

أُديرت طبقتان رقيقتان من أشباه الموصلات بالنسبة لبعضهما بزاوية 2.29 درجة — مثل ورقتين شفافتين عليهما شبكات مرسومة. حيث تتطابق الخطوط تقريبًا، يظهر نمط كبير من البقع الداكنة والفاتحة. تتصرف الإلكترونات في هذا النمط بشكل مختلف تمامًا عن سلوكها في البلورة العادية. عند امتلاء نصف هذه «الشبكة الفائقة» الثانية (بنية منتظمة ذات دورية كبيرة)، تعلق الإلكترونات عادةً: كل إلكترون يخشى أن يحتل مكانًا يجلس فيه جاره بالفعل.

يشبه التيار الكهربائي في السلك حشداً من الناس يسرعون في ممر. عادةً، يصطدم كل شخص بالجدران ويفقد سرعته بشكل شبه فوري — وهذا هو المقاومة الكهربائية. لكن في بعض المواد، كما في مبنى ذي قاعات جانبية، يمكن لحاملات الشحنة أن تدخل لفترات طويلة إلى «جيوب» خاصة (وديان طاقية) أو تحتفظ بالطاقة لفترة طويلة بعد الدفعة. الزمن الذي تقضيه في مثل هذا الجيب، وزمن تبريد الطاقة، قد يتجاوزان بعشرات المرات الزمن بين الاصطدامات.

حلبة الرقص ممتلئة بالناس: كل واحد يتحرك بمفرده، لا أحد يمسك بيد الآخر. فجأة تعلو الموسيقى ويزداد إيقاعها — يبدأ الجيران في التمسك ببعضهم البعض، مشكلين أزواجًا تدور بتناغم. هكذا تقريبًا بدت التجربة في المختبر، حيث جُعلت سحابة من ذرات الليثيوم، المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تزيد فجأة من تجاذبها المتبادل.

يسقط ضوء الشمس على لوح سيليكون – فيتولد تيار في الدائرة. هذا هو العمل المألوف للخلية الضوئية: الضوء يحرر الإلكترونات، ووصلة p-n (الحدود بين طبقتين مختلفتي الموصلية) تجعلها تتحرك في اتجاه واحد. لكن في بعض البلورات يتولد التيار بطريقة أخرى – دون أي وصلات، فقط بفضل كيفية ترتيب المادة نفسها من الداخل. من بين هذه الاستجابات نميّز اثنين.

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.

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.

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.

الهمس في غرفة صاخبة يكاد لا يُسمع. فالمضخم العادي يضيف ضوضاءه الخاصة ويطغى على الصوت الضعيف. أما المضخم الكمومي فيعمل بشكل مختلف: فهو يضخم الإشارة دون إضافة ضوضاء تذكر، وكأنه أذن مثالية. ولكن حتى هذه الأذن تواجه مشاكلها الخاصة.

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.

تخيّل حلبة رقص: عادةً ما تكون تأثيرات الإضاءة وحركات الراقصين مستقلة – الأضواء تومض من تلقاء نفسها، والناس يتحركون على إيقاعهم الخاص. في العالم المصغر، الصورة مشابهة: الإلكترونات والفوتونات نادرًا ما تتزامن. هذه الظاهرة موصوفة في نظرية حظر الإشعاع الفائق – وهو قيد أساسي يمنع الجسيمات والضوء من اكتساب إيقاع مشترك تلقائيًا.

تبدو ورقة الفوسفور الأسود العادية وكأنها كعكة طبقات من الذرات. إذا سلطت عليها ضوء مصباح عادي، فلن يحدث شيء مميز: تبقى الإلكترونات في أماكنها بهدوء، مثل جمهور في قاعة مظلمة. لكن وميض ليزر قصير، يدوم أجزاء من المليون من مليار الثانية، يهز هذه القاعة. الضوء المستقطب على طول «المقعد» — وهو أحد الاتجاهات في البلورة — يزيح السحب الإلكترونية للحظات.

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.