الموصلية الفائقة المستحثة بالضوء

غشاء رقيق من نيكلات النيوديم بسماكة خمسة عشر نانومترًا يستقر على ركيزة من غالات النيوديم. عند درجة حرارة دون مئة وثمانين كلفن يتصرف كعازل: الإلكترونات محتجزة داخل خلاياها الذرية ولا تستطيع الحركة بحرية. لكن إذا سُلّطت عليه نبضة ليزر مدتها ثلاثون فيمتوثانية، أي ثلاثين جزءًا من مليون من مليار جزء من الثانية، يبدأ الغشاء بتوصيل التيار كالمعدن.

كبسولة صغيرة جدًا تشبه فقاعة الصابون، لكن جدارها مصنوع من بلورات متوهجة، تتصرف مثل الليزر. ما دام جدارها سليمًا، ينتقل الضوء في مسار دائري، ويتضخم، ثم ينطلق كشعاع ضيق ساطع. وما إن يتشقق الجدار حتى يتحول الشعاع إلى بقعة باهتة. هذه الكبسولة هي جسيم غرواني (colloidosome)، وهي قادرة على تغيير توهجها عند الطلب.

فرن الميكروويف يسخّن الطعام، لكن في المختبر فعلت الموجات الميكروية شيئًا آخر: حوّلت الموصل الفائق إلى مغناطيس دائم. غشاء من أكسيد الإيتريوم-الباريوم-النحاس بسمك 300 نانومتر، مبرَّد إلى 80 كلفن، استجاب لإشعاع بتردد 5 غيغاهرتز.

الكاشف فائق التوصيل يعمل عادةً كمسطرة أمينة: يمتص فوتونًا فيصدر نبضة، سعة تتناسب تناسبًا صارمًا مع الطاقة. هذا الوضع مريح، لكن له سقف: الإشارة الضعيفة تضيع بسهولة في ضجيج المضخم. الآن لنتخيل أرجوحة. طالما تتأرجح بها بلطف، فإنها تعود بطاعة إلى النقطة السفلية.

تخيل حلبة رقص شبه فارغة، حيث يتحرك الرواد النادرون كلٌّ على حدة — بشكل عشوائي دون ارتباط ببعضهم. ولكن بمجرد تشغيل موسيقى معينة وتبريد القاعة قليلًا، يصطف الراقصون فجأة في سلاسل طويلة ويبدأون في التحرك بتناغم. هذا تقريبًا ما تفعله الإلكترونات في غاز ثلاثي الأبعاد مخلخل.

يشكّل المجال الضوئي، مثل قالب الوافل الأنيق، نمطًا منتظمًا في الفضاء من مناطق ساطعة ومظلمة. في أكثر النقاط سطوعًا، كما في حفر صغيرة، تنحصر الذرات — وهكذا تتشكل مصيدة ضوئية. هذه أداة مفضلة لدى الفيزيائيين لدراسة الخصائص الكمومية للمادة في ظروف معزولة. ومع ذلك، هناك عائق مزعج: الذرات في هذا المصيدة تسخن تدريجيًا وقد تخرج منها، مما يشوه الصورة التجريبية.

عادةً، لا يحوّل الضوء العازل إلى موصل؛ إذ يتطلب ذلك نبضات ليزر قوية تدمر بنية المادة. لكن في الغرافين ثنائي الطبقة الملتوي بالزاوية السحرية غرافين — وهو مادة مكوّنة من طبقتين من شبكة الكربون، تدور إحداهما بالنسبة للأخرى بزاوية خاصة — الأمر مختلف تمامًا.

في الموصلات الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتدفق دون مقاومة. عادةً، تكون هذه الأزواج موزعة بشكل منتظم، مثل الماء في بحيرة هادئة. لكن في بعض الأحيان، يظهر تموج في المادة — تتكاثف الأزواج وتتخلخل بخطوة محددة. هذه الحالة تُسمى موصلية فائقة بموجة كثافة الأزواج.

المواد الباعثة للضوء القائمة على المركبات العضوية تشبه تقاطعًا مزدحمًا بلا إشارة مرور. الجزيئات تستقبل الطاقة، لكن بدلًا من أن تردّها بأمانة على شكل ضوء، غالبًا ما تنعطف إلى طرق مسدودة: تشكل أزواجًا مظلمة (إكسيبلكسات exiplexes — معقدات قصيرة العمر بلا إشعاع) أو تتصادم مع بعضها، فتفقد شحنتها.

أوركسترا بلا قائد، حيث يسمع الموسيقيون بعضهم البعض عبر جدار مشترك. هذا تقريباً ما يبدو عليه النوع الجديد من الليزر: عدة ذرات (باعثات) موضوعة على طول دليل ضوئي (waveguide) — مسار رفيع للضوء على شريحة. الضوء الصادر من كل ذرة يجري على طول هذا المسار ويؤثر على الجيران. ينشأ عزف جماعي، حيث تبعث الذرات بشكل منسق، مثل أقواس الكمان ترتفع في لحظة واحدة. لكن هناك تفصيل مهم.

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.

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 بعض المواد، يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق دون أي فقدان تقريبًا — وهذا هو الموصلية الفائقة. لكن قبل أن تصبح المادة موصلًا فائقًا، غالبًا ما تمر بحالة غريبة: الإلكترونات تشعر ببعضها البعض وتشكل أزواجًا، لكنها لا تستطيع التحرك معًا بعد. تسمى هذه المرحلة الفجوة الزائفة — وكأن المادة تجمدت في تردد قبل القفز.

جهاز قياس المسافة العادي يرسل نبضة ضوئية واحدة وينتظر عودتها – مثل شخص يصرخ في الفضاء الفارغ ويستمع إلى الصدى. لكن إذا استخدمنا عدة مصادر تضيء بتناغم، وحللنا ليس قوة الإشارة بل إيقاع تتابع الومضات المنعكسة، تصبح الصورة أكثر وضوحاً. تأثير الوميض المتزامن – الإشعاع الفائق – معروف من أعمال روي جلاوبر.

يعمل الصمام الثنائي (diode) العادي في الإلكترونيات كطريق باتجاه واحد: يمر التيار في اتجاه واحد فقط. أما في الموصلات الفائقة، حيث تتدفق الكهرباء دون مقاومة، فقد ظل هذا السلوك صعب التحقيق لفترة طويلة — فالتيار عادةً ما يكون متماثلًا. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقة لصنع صمام فائق التوصيل مثالي باستخدام الضوء.

يترك الضوء أثراً حتى عندما يكون شبه معدوم. الفوتون الواحد — كتلة صغيرة من الطاقة — يسقط على صفيحة سيليكون ويحرّر حفنة من الإلكترونات. المشكلة أن هذه الحفنة صغيرة جداً بحيث لا يمكن ملاحظتها. نحتاج إلى مضخم. عادةً، تُضخَّم الإشارة بتطبيق جهد كهربائي على تلامسات معدنية على سطح الكاشف.

المصباح يُضاء فقط في الغرفة المطلوبة. هكذا تقريبًا تعمل الأدوية المُفعَّلة بالضوء — فهي «تُشغَّل» فقط حيث يُوجَّه الضوء، ولا تمسّ بقية الجسم. هذا مهم بشكل خاص في علاج السرطان: فالعلاج الكيميائي التقليدي يضرب جميع الخلايا المنقسمة دون تمييز، مسببًا آثارًا جانبية شديدة. أما هنا فيمكن إضاءة الورم فقط — فيبدأ الدواء بالعمل. إن صنع مثل هذا الدواء ليس بالأمر السهل.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

الليزر التقليدي يشبه أوركسترا يحتاج فيها العازفون إلى الإحماء قبل العزف بتناغم. يجب أولاً ضخ طاقة كافية إلى الذرات حتى "تنقلب" وتكون مستعدة لإصدار الضوء — وهذا ما يسمى انعكاس التعداد السكاني. عندها فقط ينطلق الشعاع. أما الليزر الإكسيتوني-الفوتوني فيعزف وفق قواعد مختلفة: "عازفوه" — مزيج من الضوء والمادة — يدخلون في العمل دون تحضير تقريبًا.

سكين مطبخ عادي مصنوع من النيوبيوم عند درجة −258 °م يبدأ فجأة في توصيل التيار الكهربائي دون أدنى فقدان. هكذا تعمل الموصلية الفائقة، ويمكن "تشغيلها" مباشرة على سطح المعدن إذا قصفناه بالليزر في جو من النيتروجين.

سلك نحاسي تحت ضربة ليزر يشبه مطبخًا يشغّل فيه الطبّاخ الموقد وفي نفس الوقت يراقب ساعة الإيقاف. تبدأ ذرات النحاس بالرقص، فتفقد انتظام الشبكة البلورية، بينما تشعر الإلكترونات، مثل النادلين في القاعة، بالتغيير فورًا. ولكن ما مقدار الفوضى اللازم حتى يلاحظوا ذلك؟ يتبيّن أن بداية الانصهار كافية. أطلق العلماء نبضات ليزر مفردة بقوى مختلفة على أغشية نحاسية رقيقة.

في غرفة مظلمة، يومض ليزر تحت أحمر، وتصبح قطعة من مسحوق K3C60 الأسود، لجزء من الثانية، موصلة للتيار دون مقاومة. يضرب الضوء بتردد 10 تيراهرتز، وهو أسرع بألف مرة من عمل فرن الميكروويف. ويتضاعف التأثير مئة مرة مقارنة بالترددات الأخرى. لماذا هذا التردد تحديدًا؟ بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا ووجدوا الإجابة. تتحرك الإلكترونات في المادة عادةً منفردة، لكن في حالة التوصيل الفائق تتحد في أزواج، مثل راقصين يمسكان بأيدي بعضهما.

صنبور لا يتدفق منه الماء كتيار، بل قطرة قطرة بدقة — هكذا يمكن وصف مصدر الفوتونات المفردة الذي يتحدث عنه المؤلفون. في الضوء العادي، تطير الفوتونات في جماعات، مثل الماء من صنبور مفتوح. أما بالنسبة للتقنيات الكمومية، فنحن بحاجة إلى فوتونات مفردة — «قطرات» من الضوء يمكن استخدامها ككيوبتات أو كرسل للاتصالات الآمنة.

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.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

يشبه التيار الكهربائي في الموصل الفائق حشدًا يركض في ممر دون احتكاك. لكن في الموصلات الفائقة من النوع الثاني توجد عوائق — دوامات صغيرة من المجال المغناطيسي يزيحها التيار من مكانها. بمجرد أن تتحرك الدوامة، تظهر مقاومة، وينخفض التيار. لذلك تُظهر القياسات العادية تيارًا أقل بشكل ملحوظ من الحد الذي تتحلل عنده الموصلية الفائقة.

شعاع ليزر صغير يلامس البلورة للحظة — وفجأة، وكأنه بسحر، تتوهج شرارات كمومية منفردة في الداخل. هذا ليس خدعة، بل طريقة جديدة لإنشاء الكويبتات (qubits) — خلايا العمل لحواسيب الكم المستقبلية. المادة هي كربيد السيليكون، وهي نفسها المستخدمة بالفعل في إلكترونيات القدرة والثنائيات الباعثة للضوء.

الذاكرة العادية في الحاسوب تستهلك الطاقة باستمرار لتخزين الأصفار والواحدات. أما الموصلات الفائقة فتنقل التيار دون أي فقدان — فإذا صُنعت منها ذاكرة، فإنها لن تستهلك الكهرباء تقريبًا. المشكلة أن الموصلات الفائقة لا تعرف كيف تتذكر: حالتها تتغير بسهولة شديدة. بلورة يورانيوم-ثنائي تيلوريد كانت استثناءً.

طبقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون تشبه قرص العسل. تتحرك الإلكترونات فيها بسرعة كبيرة وكأنها عديمة الكتلة، تمامًا مثل الضوء. عندما تسقط نبضة ليزر قوية على هذه الطبقة، تتلقى الإلكترونات ركلة وتبدأ في التسارع. يمكن تشبيه مسارها بطريق تظهر فيه أحيانًا حواجز — وهي النطاقات المحظورة.

الموصل الفائق العادي يعمل فقط في "مجمد الطبيعة"، أي عند درجات حرارة أقل من مئة درجة تحت الصفر. مادة كرات الكربون K₃C₆₀ ليست استثناءً: بدون البرد، تقاوم التيار مثل حشد في ممر ضيق. لكن الفيزيائيين لاحظوا شيئًا غريبًا: إذا سلطوا ليزرًا عليها، فإنها تبدأ في توصيل التيار دون فقدان حتى في الدفء. صحيح أنهم احتاجوا سابقًا إلى شعاع قوي كاد أن يذيب العينة.

الفضاء الفارغ ليس ساكناً أبداً. إنه يعج بتقلبات طاقية صغيرة - مثل الطين الخام في يد النحات. في تجربة جديدة، وُضعت طبقة رقيقة من مادة فائقة التوصيل داخل تجويف صُمم لاحتجاز ضوء تيراهيرتز، وهو شكل من الإشعاع غير المرئي. عمل التجويف كقالب، شكّل تقلبات الفراغ حول الطبقة. حتى بدون أي ضوء، نحتت هذه التقلبات الحالة الداخلية للموصل الفائق.

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.

غشاء رقيق من مركب البزموت والسيلينيوم موضوع على ركيزة. تضربه ومضة ليزر تدوم جزءًا من مليون من مليار جزء من الثانية. وبجانبه مغناطيس مجاله أضعف من مجال مغناطيس الثلاجة. وفي تلك اللحظة، ينشأ في الغشاء تيار كهربائي تلقائيًا، عمودي على المجال المغناطيسي. هذا التيار لا يسري في أسلاك – بل يُرصد نشوءه من خلال موجة تيراهرتز تنبعث من العينة.

الانبعاث الفائق (superfluorescence) هو "زفير" ضوئي متزامن من البلورة، حيث تنبعث الفوتونات من العديد من الجسيمات المثارة في وقت واحد. وقد رصد الباحثون مؤخرًا لأول مرة صورته المرآتية: الامتصاص الفائق (superabsorption) — وهو "شهيق" منسق تبتلع فيه البلورة الضوء بشكل جماعي، وكأن الزمن يعود إلى الوراء.