درجة حرارة النيتروجين السائل

في قاعةٍ تتراقص فيها الأزواج، عُزفت موسيقى مختلفة، فإذا بالأزواج التي كانت مصطفّة في صفوف تبدأ بالدوران كالدوامات. هكذا تعيد البلورة المغناطيسية Fe3Ge ترتيب نمطها الداخلي عندما ترتفع الحرارة فوق 375 كلفن، أي نحو مئة درجة من الدفء. قبل هذا الحدّ ترقد الإبر المغناطيسية في البلورة مسطّحة، كأزواج ترقص رقصة دائرية.

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).

النيوترون هو جسيم يستقر عادة في نواة الذرة ولا يختفي. لكن بعض النظريات تفترض أنه قد يتحول أحيانًا إلى توأم غير مرئي — جسيم افتراضي لا يمكن التقاطه بواسطة أجهزة الكشف العادية. إذا حدث هذا، فسيفسر ما تتكون منه المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولكنها تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ترتكب أخطاء. كل كيوبت يشبه كرة على رأس قلم رصاص: إذا اهتزت اليد قليلاً، تتدحرج الكرة. لمنع الكرات من السقوط، نحتاج إلى من يلاحظ الاهتزاز ويصحح الوضع في الوقت المناسب. في الحوسبة الكمومية، يقوم بهذا العمل وحدة فك الترميز (decoder) — برنامج ينظر إلى نتائج القياسات ويحدد مكان حدوث الخطأ. Snowflake هو أحد وحدات فك الترميز هذه.

بلورة يوديد الصوديوم المشوب بالثاليوم (NaI(Tl)) هي نوع من الأفلام الفوتوغرافية للجسيمات غير المرئية. عندما يصطدم بها كم جاما أو جسيم افتراضي من المادة المظلمة، تصدر وميضًا ضوئيًا خافتًا يُعرف بالوميض (scintillation). مضاعفان ضوئيان سيليكونيان (silicon photomultipliers) مثبتان على طرفي البلورة يسجلان هذا الوميض من كلا الجانبين.

في الماء المغلي الماء يمكن رؤية نموذج أولي للخدعة الكمومية: إذا حوّلنا جزءاً من السائل إلى فقاعات بخار طويلة العمر، فإن الكتلة الرئيسية تبرد. هذا بالضبط ما يحدث عند توجيه ضربة حادة لنظام من الإلكترونات المتفاعلة: تظهر الدوبلونات — أزواج من الجسيمات تمتص الطاقة الزائدة ولا تتفكك لمدة طويلة بشكل مذهل.

الشمس مفاعل نووي هائل يرسل إلينا الضوء والحرارة باستمرار. لكن لديها أيضًا بريد آخر شبه صامت: كل ثانية، تمر عبر سنتيمتر مربع من راحة يدك عشرات المليارات من النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية تولد في بوتقة الاندماج النووي. معظمها لا يترك أي أثر.

في الأجهزة الكمومية الماسية يوجد خلل صغير — مركز النيتروجين-الشاغر (ذرة نيتروجين بالإضافة إلى فراغ مكان ذرة كربون). يعمل كمفتاح يتبدل تلقائيًا بين حالتين: قد يحمل إلكترونًا إضافيًا أو لا يحمله، ويعتمد على ذلك توهجه من عدمه. لكن إذا وجدت شائبة نيتروجين قريبة، يبدأ المفتاح في عيش حياته الخاصة.

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.

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.

عالم رفض لسنوات أن يُظهر وجهه. كوكب GJ 1214 b هو مثل هذه الحالة تمامًا. إنه أكبر من الأرض لكنه أصغر من نبتون، وغطاؤه الكثيف جعل غلافه الجوي غير مرئي للتلسكوبات: ضوء النجم كان يمر عبره دون أن يترك بصمات واضحة. لكن إصرار علماء الفلك وجهاز جديد حساس قدما أول خيط. باستخدام مطياف CRIRES⁺ على التلسكوب الكبير جدًا في تشيلي، رصد العلماء ثماني مرات عبور الكوكب أمام نجمه.

وعاء الألمنيوم على الموقد ينصهر عند 660 درجة مئوية — وهذا يعرفه الجميع. لكن ماذا لو سخّنّا الألمنيوم إلى درجة حرارة أكبر بمئة مرة؟ سيبدأ السائل في الغليان، وهنا تكمن المعضلة: عند أي درجة حرارة بالضبط يحدث ذلك؟ الإجابات في الأوراق العلمية تباينت بنحو 4000 درجة — وكأننا نتجادل حول ما إذا كان الماء يغلي عند 50 أو 350 درجة.

في الهيليوم فائق الميوعة، تشبه الدوامة إعصارًا في زجاجة، لكن بدل الماء يوجد سائل كمومي يتدفق بلا احتكاك. مثل هذه الدوامة لا تتبدد من تلقاء نفسها، لذا ظل السؤال عن مصير طاقتها مفتوحًا لفترة طويلة. الآن، شاهد الفيزيائيون الإجابة لأول مرة: الدوامة تُصدر كمية صوتية — روتونًا.

البزموت معدن تُصنع منه سبائك سهلة الانصهار وإضافات إلى الفولاذ. لكن إذا رُشِّش على ركيزة بطبقة رقيقة جدًا، فإن سلوكه يعتمد على مدى برودة الركيزة. قارن الفيزيائيون طريقتين: الأولى في درجة حرارة الغرفة العادية، والثانية عند درجة حرارة النيتروجين السائل، حوالي −196 درجة مئوية. وكان الفرق ملحوظًا حتى تحت المجهر.

الضوء والذرات، مثل راقصين، يمكن أن يتحركا بتناغم أو بشكل متفرق. عندما يكون تفاعلهما اتجاهيًا — أي يعتمد على الاتجاه — يصبح الرقص أكثر تعقيدًا. في العمل الجديد، نظر الفيزيائيون في نموذج حيث تتفاعل مجموعة من الذرات (كيوبتات) بشكل جماعي مع مجال ضوئي اتجاهي، وكل مكوّن متصل بمستودع حراري. اتضح أن التباين الاتجاهي يمكن أن يغير جذريًا تدفق الحرارة عبر النظام.

سبينات النحاس في بلورة Cs₂Cu₃SnF₁₂ مرتبة على شبكة مثلثية تذكّر بنمط الخيزران الياباني المنسوج كاغومي. عند التبريد تحت 20 كلفن، تترتب هذه السبينات في نمط ذي لولبية متجهة سالبة — كما لو أن كل الدوامات في النهر تلتف في اتجاه واحد، ولكن بإشارة معينة للالتفاف. فوق 20 كلفن، وحتى 150 كلفن، لا تكون السبينات مضطربة تمامًا: فهي تحتفظ بارتباطات ثنائية الأبعاد من نوع بيريزينسكي-كوسترليتز-ثوليس.

تحويل الغازات الخفيفة مثل الهيدروجين والنيتروجين إلى حالة معدنية حلم قديم للفيزيائيين، يعود جذوره إلى تنبؤات حول سلوك المادة تحت ضغوط شديدة. في التجربة الجديدة، تم ضغط غاز النيتروجين إلى 130–140 جيجا باسكال — وهو ضغط يعادل وزن 14 مليون كيلوجرام على مساحة ظفر الإصبع — مع تسخينه في الوقت نفسه إلى 3000 درجة مئوية.

في كل مرة يندمج فيها الديوتيريوم والتريتيوم داخل مفاعل الاندماج النووي، ينطلق نيوترون سريع. يمكن لهذا النيوترون أن يحول بعض المواد إلى أخرى، على سبيل المثال، إنتاج نظائر ثمينة للطب. اليوم، هذه النيوترونات باهظة الثمن بشكل خيالي، لأن عدد المنشآت التجريبية قليل وهي تعمل نادرًا.

قدر ماء على الموقد هو مجرد ماء، لكن داخل كل جزيء تدور رقصة مستمرة. ذرات الهيدروجين والأكسجين تهتز حتى عند الصفر المطلق، لأن العالم الكمومي هكذا. هذه الاهتزازات تغير كمية الحرارة التي يخزنها الماء وكيفية تدفقه. سابقًا، لمراعاتها، كان لا بد من تشغيل حسابات ثقيلة بشكل لا يصدق: كل ذرة تتحول إلى مروحة كاملة من نسخها، ويختنق الكمبيوتر.

أخذ الفيزيائيون 114 ذرة من الروبيديوم، وبرّدوها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (كما في تجارب الهيليوم السائل)، ثم رصّوها بعناية في نمط قرص العسل. ثم بدأوا بتغيير شدة التفاعلات تدريجياً، تماماً مثل رفع درجة الحرارة ببطء في قدر. على نار هادئة، حافظت الذرات على صفوف مغناطيسية منتظمة تشبه البلورة.

قفص من ستين ذرة كربون، يشبه كرة القدم، يدخل بداخله جزيئات صغيرة. كرات الكربون الفوليرينية مرصوصة في بلورة مثل البرتقال في صندوق — تبقى بينها فراغات. في هذه الفراغات، عند التسخين إلى 570 درجة مئوية وضغط 30 ضغطًا جويًا، تسرب الهيدروجين. جزء من الجزيئات التصق بالكرات من الخارج مثل نبات التصاق بالملابس. نتجت مادة تشبه كرة قدم مدهونة بالهيدروجين.

قطعة النقد المقلوبة هي أبسط مولّد للعشوائية. لكن إذا عُدّلت القطعة، فإنها تبدأ بالغش. في العالم الكمومي، يلعب الضوء دور القطعة: فخصائصه غير قابلة للتنبؤ من حيث المبدأ. المشكلة أن الجهاز الذي «يقلب» القطعة الكمومية قد يكون معطوبًا أو حتى مستبدلًا من قبل مخرب. بَنى مؤلفو الدراسة مولّدًا لا يتطلب ثقة كاملة في مكوناته. يكفي فقط تقييد طاقة الحالات الضوئية المنبعثة — كما لو كنا نراقب ألا تكون القطعة ثقيلة جدًا.

في طبقات ملتوية بزاوية معينة من تيلوريد الموليبدينوم، تتصرف الإلكترونات بشكل غير عادي: فهي يمكن أن تنقسم إلى أجزاء. هذا يشبه ما لو بدأ فجأة تقطيع فطيرة كاملة إلى شرائح متساوية تمامًا، رغم أن السكين في يد واحدة. في المواد العادية، شحنة الإلكترون غير قابلة للانقسام، لكن في هذه الطبقات عند التبريد الشديد تظهر حالات تنقسم فيها الشحنة إلى ثلاثة أجزاء.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يجب أن يضبط آلاته قبل كل مقطوعة. الضبط يستغرق وقتًا ويتطلب هدوءًا — في حالتنا، برودة شديدة. بالنسبة لرقائق السيليكون التي تحتوي على ذرات البورون، يتم هذا الضبط عادةً باستخدام الموجات الميكروية، ببطء وفقط عند درجات حرارة أقل من 2 كلفن (271 درجة مئوية تحت الصفر).

مقياس حرارة لا يكذب لسنوات. موازين الحرارة المقاومة العادية، حتى الدقيقة منها، تبدأ في ارتكاب الأخطاء بمرور الوقت: فالمواد تتقادم، وتتأكسد التلامسات، وتنزلق القراءات. أما مقياس الحرارة الكمومي الجديد فيعمل بشكل مختلف — فهو يستخدم ذرات الروبيديوم نفسها كمعيار. داخل خلية زجاجية صغيرة يوجد بخار الروبيديوم. يسلط العلماء عليه ليزرًا، فتهتز الذرات وتصدر ضوءًا بلونين مختلفين.

عادةً ما تُحفظ الأجهزة الكمومية في المبرِّدات (cryostats) — وهي ترموسات كبيرة تكون درجة حرارتها أقل من تلك الموجودة في الفضاء الخارجي. أيون الإربيوم، المحبوس في مصيدة صغيرة على رقاقة سيليكون، يكسر هذا التقليد. فهو يعمل مباشرة على الطاولة، في درجة حرارة الغرفة، ويتذكر الحالة الكمومية لنصف ملي ثانية.

داخل المبرّد الذي يبرّد المادة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ينبض قلب ميكانيكي — وهو الأنبوب النبضي. يضخ الغاز ويسحب الحرارة، لكنه مع البرد يجلب الاهتزاز. كل نبضة من هذا القلب تهزّ الأجهزة الموضوعة بجوار العينة وتفسد القياسات الدقيقة. سابقًا، كان يمكن ملاحظة هذا الاهتزاز فقط من الخارج، أما في الداخل — عند ثمانية أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر — فكانت المقاييس تتعطل.

في عائلة البرونزات التنجستنية، كانت مادة واحدة تُعتبر هادئة. عند التبريد، تعيد نظيراتها ترتيب إلكتروناتها في نمط موجي، أما هي فلا. هكذا كان يُعتقد حتى وقت قريب. الآن اتضح أن إعادة الترتيب تحدث فيها أيضًا. عند درجة حرارة 290 كلفن — وهي أقل بقليل من درجة حرارة الغرفة — تنشأ في المركب أحادي الميل (أحد أشكال البلورة) موجة كثافة شحنة.

الكيوبت، قلب الحاسوب الكمومي، يشبه فقاعة صابون: أدنى نسمة هواء تجعلها تنفجر. على الأرض، تسحب الجاذبية الفقاعات إلى الأسفل مسببة اهتزازات، ويضيف الاضطراب الحراري للذرات ارتجاجاً. الانتروبيا — مقياس هذه الفوضى — تدمر المعلومات الكمومية.

يمكن دمج مستشعر مصغر في الشبكة البلورية لألماس الكربون. إذا استُبدلت ذرة كربون واحدة بذرة نيتروجين، وتُركت العقدة المجاورة في الشبكة فارغة، يتشكل مركز النيتروجين-الفراغ، وهو عيب يمتلك حالات سبينية حساسة للمجال المغناطيسي الخارجي، وقادر على إصدار ضوء استجابةً لتغيراته.

الأرجوحة الصغيرة بوزن واحد ونصف نانوغرام تتأرجح ليس بفعل الرياح، بل بفعل حرارة البيئة المحيطة. كاد الفيزيائيون أن يوقفوا تأرجحها، إذ برّدوها إلى 0.006 درجة فوق الصفر المطلق. في البداية، تمت مغنطة الأرجوحة، ثم أزيل المجال المغناطيسي تدريجياً — وهذه التقنية، إزالة المغناطيسية النووية، امتصّت منها الطاقة كما تمتص الإسفنجة الماء.

في مختبر جامعة بيردو، يسقط شعاع ليزر على بلورة من نيتريد البورون السداسي، فيتوهج في المقابل نقطة ضوء واحدة. هذا ليس مجرد توهج، بل إشارة من عيب سبيني، وهو زوج من السبينات الإلكترونية، أحدها مرتبط بالسبين النووي للكربون-13.