نيوبات الليثيوم

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.

خلف مدار نبتون، يمتد محيط من الجزر الجليدية التي لم تتغير كثيرًا على مدى أربعة مليارات سنة. هذه الجزر، التي تسمى الأجسام الواقعة وراء نبتون، تحفظ وصفة نشأة الكواكب. حتى وقت قريب، لم يكن علماء الفلك يرون إلا الكبير منها، بينما ظلت الصغيرة، بحجم مدينة، غير مرئية. الآن، نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي في هذا الظلام أعمق من أي وقت مضى، وأعاد حساب حتى الجليد الذي يبلغ عشرة كيلومترات.

المشهد يغمره ضوء جليدي، وعلى خشبته يقف جمهور من السيليكون. كل فرد في هذا الجمهور هو مصفوفة من ثنائيات انهيارية صغيرة قادرة على رصد فوتون واحد، لكن فقط إذا انخفضت حرارة المحيط إلى 165 كلفن. في السابق، كان يُحضَّر هؤلاء المتفرجون للظهور بشكل فردي ويدوي، ولم يكن بمقدور أحد أن يضمن أنهم سيعملون بتناسق على خشبة كبيرة.

الكاميرا لا تصور سباقًا، بل رقصة الذرات. في ثنائي أكسيد الفاناديوم، يحدث الانتقال من الحالة العازلة إلى المعدنية في أجزاء من تريليون من الثانية، لكن حتى الآن لم يرَ أحد كيف تتحرك ذرات الفاناديوم والأكسجين بالضبط. الآن، التقط حيود الإلكترون فائق السرعة هذا المسار إطارًا بإطار. التجربة تشبه تصوير رقصة سريعة من زوايا مختلفة.

الضوء الذي لم يصل إلى الكاميرا يترك أثره عليها. هكذا يعمل أسلوب التصوير الجديد: يُضاء الجسم بلون واحد، وتُلتقط الصورة من لون آخر. داخل البلورة، تمتزج موجات الضوء، وتنتقل المعلومات عن الأشعة غير المرئية إلى الشعاع المرئي. في التجربة، استُخدمت بلورة من ثيوجالات الفضة — وهي مادة بصرية غير خطية يمر عبرها شعاعان مختلفا اللون بزاوية. أحدهما هو الشعاع الذي يضيء العينة، والآخر هو الذي يصل إلى الكاميرا.

لم يرَ أحدٌ المادة المظلمة، لكنها يجب أن تمر عبر الكواشف كما يمر الريح بين أوراق الشجر. أحيانًا، نادرًا جدًا، يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة — وعندها يجب أن يلتقط الكاشف هذه الصدمة. المشكلة أن جسيمات المادة المظلمة الخفيفة بالكاد تستطيع تحريك النوى الثقيلة: الأمر أشبه بمحاولة إسقاط لعبة البولينج برمي زغب صغير عليها. نحتاج إلى هدف من نوى خفيفة يسهل هزّها.

يمكن جعل الضوء ينحني عند الأمر، مثل الماء في خرطوم — إذا عرفت أين تضغط. هذا بالضبط ما تفعله الدوائر الكهروضوئية: تغيّر اتجاه الشعاع داخل الرقاقة بواسطة مجال كهربائي. المادة التقليدية لمثل هذه الحيل هي نوبات الليثيوم، وهي بلورة تستجيب للجهد كما يستجيب الوتر للنتفة. لكن حتى الآن كان لا بد من تقطيعها إلى أغشية رقيقة جدًا ولصقها على ركائز أخرى — مكلف ومتقلب.

الضوء في غرفة عادية يختفي في لحظة بمجرد إطفاء المصباح. أما في تجويف صغير من نيتريد السيليكون، فيمكن للفوتون — وهو كمّ الضوء — أن يرتد بين الجدران 80,000 مرة قبل أن يضيع. الأمر أشبه بكرة تُقذف في غرفة فترتد عن الجدران دون أن تفقد سرعتها تقريبًا. هذه التجاويف، التي تُسمى المرنانات الضوئية الدقيقة، تُصنع من مادة تشبه الزجاج لكنها تتحمل درجات حرارة عالية وتتوافق مع الإلكترونيات.

ينتشر شعاع الضوء عادة في خط مستقيم، ولكن يمكن جعله يدور حول محوره، مثل الماء الذي يتشكل في دوامة عند التصريف. هذا الضوء "الدوامي"، الذي يحمل زخمًا زاويًا مداريًا، قادر على نقل معلومات أكثر، وهو مطلوب للاتصالات فائقة السرعة والحوسبة الكمية. كانت المشكلة أن إنشاء مثل هذه الأشعة يتطلب عدسات ومرايا ضخمة وضبطًا دقيقًا، أي طاولة بصرية كاملة.

ومضة الضوء القصيرة تشبه عبارة موسيقية: يمكن تمييز نغماتها المنفردة إذا أنصتنا بانتباه شديد. لكن في العالم الكمومي، هذه "النغمات" — الأنماط الزمنية — مضغوطة إلى بيكو ثانية (أجزاء من تريليون من الثانية)، ولا تكاد البصريات العادية تميزها. بنى العلماء جهازًا يعمل كمرشح موسيقي: يمرر نغمة واحدة مختارة من الوتر دون أن يكتم الباقي، بل ببساطة لا يسمح لها بالمرور.

في السحابة الجزيئية الباردة في برج الثور، حيث تولد النجوم، اكتشفت التلسكوبات جزيئات برائحة اللوز المرّ — وهي نتريلات عطرية، مركبات تحتوي على حلقة بنزين مرتبطة بمجموعة نيتريل (–C≡N). على الأرض، توجد في نوى الخوخ، لكن في الفضاء، تعلق هذه الجزيئات في الغبار الجليدي.

تُبرَّد قطعة من المعدن إلى مائتي درجة تحت الصفر، فيبدأ التيار الكهربائي بالجريان عبرها دون أدنى احتكاك — كما لو أن الماء في أنبوب يتدفق دون أن يلامس الجدران. هذا السلوك يُسمى الموصلية الفائقة. لفترة طويلة، بحث العلماء عنها في النيكلات — مركبات النيكل والأكسجين، المشابهة في بنيتها للموصلات الفائقة الكوبراتية الشهيرة.

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.

إنشاء عقدة لشبكة كمومية أشبه بتعليم بهلوان التوازن على حبل كربوني فوق هوة. قدم واحدة يجب أن تنفصل بسهولة عن الحبل، راميةً فوتوناتٍ كرسل إلى العالم الخارجي. والأخرى تتشبث بقوة، خازنةً المعلومات الكمومية الثمينة.

وُضعت بلورة بحجم علبة كبريت تحت شعاع مسرّع سريري. غُطي نصف سطحها بنمط من نتوءات نانوية — متناهية الصغر، أصغر من طول موجة الضوء. أما النصف الآخر فتُرك أملس. كان الفرق مذهلاً: الجزء المغطى أصدر إشارة أكثر سطوعًا بمقدار 4.1 مرة. الومّاض النانوي الفوتوني زاد التباين بالنسبة للضوضاء بمقدار 3.7 مرة.

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.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

يمكن تشبيه مصدر الفوتونات الاعتيادي بمدخل مبنى يحرسه بواب واحد. يحاول أن يسمح بمرور الزوار فرداً فرداً، لكن أحياناً تتسلل ثنائيات. يسمي الفيزيائيون هذه معضلة النقاء: يجب أن تأتي الفوتونات منفردة بدقة، وإلا تتعطل الحسابات الكمومية. كانت الطرق القديمة تمنع الأزواج بشدة، لكن السطوع ينخفض آنذاك - كما لو أن البواب يدقق طويلاً على كل شخص فتتكدس طوابير. يضيف الأسلوب الجديد بوابين اثنين يعملان بتناغم.

تحتاج الشبكات الكمومية إلى وسيط بين وحدة التخزين – السِبين – والناقل – الضوء. لم يسبق لأي جزيء منفرد أن اضطلع بهذه المهمة. لكن الفيزيائيين وجدوا الآن حلاً. فقد وضعوا جزيء الكاربين داخل بلورة وبرّدوها إلى -269 درجة مئوية.

الضوء الذي يمر عبر بلورة شفافة قد يغيّر لونه دون أن نلاحظ ذلك. هكذا تعمل العديد من الليزرات: إضافة ضئيلة من معدن أرضي نادر تجعل البلورة تتوهج. لكن المعدن نفسه يتصرف بشكل مختلف في بلورات مختلفة — وقد درس الفيزيائيون هذا التقلب من خلال الإيتربيوم. أخذوا بلورتين متشابهتين جدًا — فلوريد الباريوم وفلوريد الكالسيوم — وأضافوا إلى كل منهما كمية ضئيلة من الإيتربيوم (أقل من 0.2%).

إذا غيّرت ليس التركيب بل ترتيب الذرات فقط، يمكنك جعل نفس المادة توصل التيار أو تمتص الضوء بشكل مختلف. هذا بالضبط ما فعله مؤلفو الدراسة مع أكاسيد النيكل والكوبالت. في حالة واحدة، تكون الذرات مرتبة مثل الكرات في صندوق مكعب — كل ذرة معدن محاطة بست ذرات أكسجين (بنية ملح الطعام). في الحالة الأخرى، يبدو الصندوق مائلًا قليلًا، فيصبح الجيران أربعة (بنية خام الزنك). هذا الترتيب ليس مجرد تسلية هندسية.

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.

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.

يمكن استخدام الضوء كحامل للرسائل السرية، تمامًا كحامل يَنقل الرسائل. ولكن لضمان عدم فقدان أي حرف، يجب استقباله والتحقق منه بسرعة فائقة. الشريحة الجديدة المصنوعة من غشاء رقيق من نيوبات الليثيوم تعمل كبوابة دوّارة تُفتح وتُغلق في أجزاء من المليار من الثانية، مما يسمح بمرور النبضات الضوئية في اللحظة المناسبة. في السابق، كانت هذه البوابات ضخمة وبطيئة.

الميمريستور هو مقاوم ذو ذاكرة: بعد فصل التيار، يحتفظ بمقاومته. بداخله، طبقة رقيقة من أكسيد معدني محصورة بين قطبين معدنيين. عندما يُمرَّر تيار قوي عبر الجهاز لأول مرة، تتشكل في الأكسيد خيوط موصلة من فراغات الأكسجين، وتنخفض المقاومة بشكل حاد. تُسمى هذه العملية بالتشكيل الكهربائي.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن لكي يصبح الأنبوب مثاليًا، يجب تبريده إلى درجة حرارة منخفضة جدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن طويل عن طرق لصنع مثل هذا الأنبوب عند درجة حرارة أكثر دفئًا، ومن بين الأدلة المهمة النقطة الحرجة الكمومية. النقطة الحرجة الكمومية هي مثل ممر بين واديين.

سطح النيوبيوم المصقول حديثًا يلمع كالمرآة. لكن بعد دقائق قليلة تظهر عليه طبقة أكسيد باهتة لا تُرى بالعين المجردة. بالنسبة للكيوبت فائق التوصيل، هذه الطبقة مثل الرمل في الساعة: إنها تجعل الحالة الكمومية تنهار قبل أوانها. كلما طالت مدة "تنفس" الكيوبت للهواء، زادت سرعة نسيانه لمعلوماته الكمومية.

تخيل بندولين على طاولة صلبة، كل منهما يتأرجح بمفرده دون أن يلاحظ الآخر. لكن عند وضعهما على لوح مهتز مشترك، تنتقل الاهتزازات عبر الدعامة، فيبدأ البندان في التأرجح بشكل متزامن. مبدأ مشابه تم تحقيقه مؤخرًا في المجال الكمومي، على شريحة سيليكون مع فوتونات، وهي كمات الضوء. في التجربة، تم إنشاء مصدرين مستقلين يصدران أزواجًا من الفوتونات.

الذاكرة العادية (فلاش) تخزّن البتات في مصائد إلكترونية، لكن لا يمكن قراءتها إلا عبر سلك منفصل ومضخم. في التطوير الجديد، تلعب نفس قطعة شبه المعدن التيلوريوم دور المخزن والمصباح معًا. عند تطبيق نبضة كهربائية قصيرة عليها، تعلق الإلكترونات في الطبقة الماصدة، ويبدأ البلورة نفسها بإصدار ضوء تحت أحمر. شدة هذا الضوء تُظهر أي من المستويات الـ16 مسجّل.

يسقط شعاعان ليزريان بلونين مختلفين على بلورة، وداخلها تولد من حين لآخر ثلاثيات من جسيمات الضوء – مثل ثلاث عملات معدنية تخرج من فتحة واحدة في آلة بيع. هذا هو أول مرة يتمكن فيها الباحثون من إجراء هذه العملية بكفاءة كافية: في كل ثانية، حصلوا على 11.6 ثلاثية. كان الشعاعان أخضر وأشعة تحت حمراء غير مرئية. داخل البلورة، تجمعت طاقتهما وتحولت إلى ثلاثة جسيمات جديدة تتناثر في اتجاهات مختلفة.

يمكن إطلاق صوت في بلورة بتردد عالٍ لدرجة أن الأذن البشرية لا تسمعه، وجعل هذا الصوت يدور في حلقة مثل قطار على طريق دائري. أخذ المهندسون طبقة رقيقة من نيتريد السيليكون، ووضعوها على ركيزة من نوبات الليثيوم، وقطعوا فيها مسارات للموجات الصوتية. النتيجة رقاقة صوتية بحجم الظفر، تتحرك فيها موجات بتردد حوالي مليار اهتزازة في الثانية دون خسائر تذكر.

الضوء تحت الأحمر غير مرئي للعين، لكنه في كل مكان: من جهاز التحكم عن بعد في التلفاز إلى حرارة جسم الإنسان. لالتقاطه، نحتاج إلى مواد خاصة. الكاشفات التقليدية ضخمة، وصلبة، وضعيفة الضبط على الطول الموجي المطلوب. توجه الباحثون إلى الفوسفور الأسود، وهو مادة طبقية يمكن تقشيرها إلى غشاء بسماكة ذرات معدودة.

في بلورة تيتانات الباريوم يوجد مجال كهربائي مدمج — مثل المغناطيس الدائم، لكن للشحنات. عندما يصل وميض ضوء إلى هناك، يقتلع الإلكترونات، فتبدأ في التخبط وتصطدم بالذرات. لكن البلورة ليست متشابهة في جميع الاتجاهات: لها محور يكون فيه المجال أقوى.

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.

شعاع أخضر من مصباح يدوي يغوص في حوض السباحة ويصل إلى القاع دون أن يضعف كثيرًا. الماء شفاف للضوء الأخضر تحديدًا، لذلك يُستخدم للاتصال تحت الماء. لكن لنقل الفيديو أو البيانات من جهاز استشعار، يجب تشغيل الضوء وإطفاءه بسرعة فائقة — مليارات المرات في الثانية. الليزرات العادية بطيئة جدًا وغير مستقرة لهذا الغرض.

الإلكتروليت الصلب مثل إسفنجة لأيونات الليثيوم. في البطارية العادية، تسبح الأيونات في سائل كما تسبح الأسماك في حوض. أما في بطارية الحالة الصلبة، فعليها أن تشق طريقها عبر الشبكة البلورية، كما لو كانت تمر عبر ممرات ضيقة. كلما زادت الأماكن الفارغة في الشبكة، زادت سرعة وصول الأيونات من قطب إلى آخر. النيوترونات تصنع هذه الأماكن الفارغة.

داخل بلورة أكسيد الزنك يختبئ ثنائي كمومي: ذرة قصدير وذرة ليثيوم تجلسان جنبًا إلى جنب. رابطهما وثيق لدرجة أن الإلكترون المأسور بواسطة هذا الزوج يعيش كما لو كان على القصدير، بينما الليثيوم يكتفي بالمساندة. لطالما بحث العلماء عن هذا المعقد، لكن الآن فقط تمكنوا من إنشائه عمدًا والتعرف عليه من خلال التوهج المميز. الإلكترون هنا لا يدور فقط حول النواة — بل إن لفه مرتبط بشدة مع لف نواة القصدير.

قطعة عادية من شبه الموصل تغيّر لون الضوء المار عبرها بشكل ضعيف. وظل الفيزيائيون لعقود يتغلبون على هذا القيد بوضع البلورة في بيئة معقدة، لكن المادة نفسها بقيت كما هي. الآن، جمع الباحثون «ساندويتشًا» من طبقات رقيقة متناوبة من زرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد الألومنيوم-الغاليوم. الضوء الذي يدخل هذه البلورة الطبقية يجعل الإلكترونات تقفز بين الطبقات — ونتيجة لذلك تولد موجة بتردد مضاعف.

أكسيد الفضة والنيوبيوم AgNbO₃ هو كعكة طبقية من ذرات الفضة والنيوبيوم والأكسجين. في درجة حرارة الغرفة، يتصرف كعازل عادي، لكن عند تبريده، تبدأ الذرات في الإزاحة، وتكتسب البلورة استقطابًا كهربائيًا — مثل إبرة البوصلة، لكنها تشير إلى اتجاه المجال الكهربائي الداخلي بدلًا من الشمال. لفترة طويلة، لم يكن واضحًا أي بنية تنشأ عند درجات الحرارة المنخفضة.

البلورة الرقيقة من نيتريد البورون السداسي — قريبة من الجرافيت، لكنها شفافة وعازلة. في شبكتها البلورية توجد أحيانًا عيوب مفردة: ذرة بورون أو نيتروجين مفقودة، وفي مكانها تتشكل مصيدة للإلكترونات. هذه المصيدة قادرة على امتصاص الضوء وإعادة إصداره، مثل مصباح يدوي صغير.