موصلية فائقة مغناطيسية

راقصان على مسرح واحد: أحدهما يجذب شريكه نحو جهة، والآخر نحو الجهة المعاكسة. في بلورة Cu2(OH)3Br، المعروفة باسم بوتالاكيت، تترتب ذرات النحاس في سلاسل حيث تتوازى سبينات (عزوم مغناطيسية) الأيونات المتجاورة أحيانًا كما في الفيرومغناطيسية، وتتضاد أحيانًا أخرى كما في المغناطيسية المضادة.

يشبه الموصل الفائق أوركسترا تعزف دون أي نغمة خاطئة، حتى يدير قائد الأوركسترا مقبض الضبط. في هذا العمل الجديد، تبين أن هذا المقبض هو التاريخ المغناطيسي لتلامسات النيكل. صنع العلماء أغشية دقيقة فائقة التوصيل من أكسيدي LaAlO3 وSrTiO3، حيث تنشأ عند الحدود بين المادتين طبقة رقيقة من الإلكترونات الحرة، وهي غاز إلكترون ثنائي الأبعاد.

الموصل الفائق يطرد المجال المغناطيسي، مثلما تعصر الإسفنجة الماء. تأثير مايسنر (Meissner effect) معروف منذ ما يقرب من قرن، لكنه يُدرس عادةً في زمكان مسطح — دون أخذ الجاذبية في الاعتبار. في مجال جاذبية قوي، مثلًا بالقرب من ثقب أسود، أو عند سرعات نسبية، تتغير الصورة.

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).

سرب من اليراعات لا يتصادم تقريبًا، لكنه يغير لونه بشكل متزامن عبر تبادل الإشارات. هكذا تتصرف النيوترينوات في التدفقات الكثيفة من النجوم المنهارة: فهي تتحول جماعيًا من نوع إلى آخر، رغم أن تفاعلاتها الفردية ضعيفة للغاية.

الموصل الفائق يشبه رقصة دائرية مثالية للإلكترونات: تتحرك في أزواج دون فقدان الطاقة، مثل راقصين لا يخطئون أبدًا في الإيقاع. لكن بمجرد إضافة القليل من الشوائب المغناطيسية، يقتحم دخيلٌ الرقصة ويعطل الحركة المتناغمة. تنخفض درجة الحرارة التي تبدأ عندها هذه الرقصة.

حلبة الرقص مليئة بالأزواج التي تدور في رقصة الفالس. عادةً، يتحرك الشريكان في اتجاهين متعاكسين: أحدهما يخطو للأمام والآخر للخلف للحفاظ على الإيقاع العام. في الموصلات الفائقة، تشكل الإلكترونات أيضاً أزواجاً، وحركتها تشبه هذه الرقصة: السبينات (العزوم المغناطيسية الذاتية) تشير في اتجاهات مختلفة، والعزوم المدارية (التي تصف الدوران حول النواة) تعوّض بعضها البعض.

القياسات المغناطيسية العادية ترى فقط سطح فائق التوصيل، حيث تعيق الحواجز والتدفقات اللزجة للمجال المغناطيسي. أما في الداخل، في ما يسمى بالحالة الوسيطة، تتعايش نطاقات فائقة التوصيل ونطاقات عادية، تفصل بينها جدران رقيقة. يمكن لهذه الجدران أن تتذبذب، لكن كان من الصعب سماعها مباشرة.

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.

في نقطة مغناطيسية متناهية الصغر، أصغر من ميكرون، تعيش دوامة — المغنطة ملتفة مثل الماء في قمع. في مركز هذا القمع يوجد قلب يدور في مدار صغير، كأنه قمة دوّارة دُفعت. إذا وجّهت إشارة ميكروويف إلى هذه النقطة، تستجيب الدوامة بتذبذب على تردد واحد — مثل وتر يُنقر بقوس. لكن إذا أزحت قلب الدوامة عن مكانه المعتاد بمجال مغناطيسي، يتغير السلوك.

الإلكترون الواحد في مجال مغناطيسي يشبه قمة دوّارة صغيرة تدور وتصدر «صريرًا» ضعيفًا بترددها الخاص. يكاد يكون من المستحيل سماع هذا الصرير مباشرة: فهو يغرق في الضوضاء. ابتكر العلماء رنانًا — شريطًا ميكروويفيًا فائق التوصيل يعمل مثل شوكة رنانة مضبوطة على نفس النغمة. عندما يقترب الإلكترون، يجعل صريره الشوكة الرنانة تصدر صوتًا أعلى، فيصبح الإشارة ملحوظة.

الموصل الفائق الصغير، المحلق فوق مغناطيس، هو أشبه بقطعة فلّين على سطح محيط غير مرئي. أدنى هبة من المادة المظلمة تجعله يرتجف. نظر العلماء في نوعين من هذه 'الرياح'. الأول — الموجات الثقالية، التي تمدد وتضغط الفضاء نفسه، مثل تموجات في نسيج الكون. الثاني — هبات مغناطيسية تحرض تياراً مباشرة في الحساس المحلق.

في بلورة من اليوروبيوم والزنك والفوسفور، يسلك التيار سلوك سيارة على طريق وعر. فالإلكترونات لا تندفع بحرية، بل تسحب خلفها سُحبًا مغناطيسية تُعرف بالبولارونات. في درجة حرارة الغرفة، تكون هذه السُحب متفرقة، لكن عند التبريد تندمج في كتلة متصلة، مما يبطئ التيار بشكل حاد.

المادة فائقة التوصيل العادية تطرد المجال المغناطيسي، لكن هذه الحلقة، على العكس، تولّد مجالًا مغناطيسيًا بداخلها. الحلقة مصنوعة من مادة Fe(Te,Se) — مركب من الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم، يفقد مقاومته الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

غشاء أشباه الموصلات بسماكة ذرة واحدة هو بمثابة غشاء رقيق مشدود. عند تعرضه للضوء، يومض: تولد فيه إكسيتونات — حالات مرتبطة من إلكترون وثقب، تتصرف كنقاط مضيئة وتتلاشى بسرعة عبر إعادة الاتحاد. في الأماكن التي تتعطل فيها البنية الذرية — مثل وجود فواصل أو طيات — يصبح التوهج غير مستقر: يرتجف وينقطع. يشبه ذلك وترًا معقودًا يصدر نغمة شاذة، مشوهًا اللحن الموسيقي.

الموصل الفائق العادي عند تبريده يفقد مقاومته، ويسري التيار فيه دون فقدان. لكن في الأغشية فائقة الرقة، الأمر مختلف: تتأرجح المادة بين الحالة العادية والحالة فائقة التوصيل، وفي هذه المنطقة الوسطى تظهر موجات غريبة في المقاومة. المقاومة ترتفع وتنخفض، وكأن شخصًا ما يدير مقبض الصوت. في الموصل الفائق، يمكن للتيار أن يسري في حلقة إلى الأبد، مثل الماء في قناة مغلقة.

بلورة CeRh₂As₂ تتصرف كمفتاح: برّدها فتصبح موصلًا فائقًا، ثم قرّب منها مغناطيسًا فتنتقل قفزًا إلى حالة موصلية فائقة أخرى. هذا السلوك نادر: معظم الموصلات الفائقة لها حالة واحدة فقط، لكن هنا حالتان تفصلهما حدود حادة. لفهم ذلك، مرر الباحثون موجات فوق صوتية عبر البلورة في درجات حرارة منخفضة، ومجالات مغناطيسية قوية، وضغوط عالية.

سلك فائق التوصيل رفيع، مُبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، يمكنه أن يستشعر فوتونًا واحدًا من الضوء. هذه الكاشفات لا غنى عنها في الحوسبة الكمومية والاتصالات الآمنة، لكن طبعها تفسده العشوائية — تفاوتات عشوائية وشوائب يستحيل إزالتها تمامًا. قرر الفيزيائيون ألا يحاربوا العشوائية، بل أن يروضوها.

السلك النانوي يشبه كابلًا صغيرًا: في الداخل قلب مغناطيسي، وفي الخارج غلاف من الألومنيوم يمكنه توصيل التيار دون مقاومة. لكن ليس من السهل أن يتعايشا معًا: فالمجال المغناطيسي القوي يدمر الموصلية الفائقة، كما أن الضوضاء تزعج اللحن الهادئ.

تصف نظرية النموذج القياسي الكلاسيكية لفائقة التوصيل، وهي نظرية BCS التي طورها John Bardeen وليون كوبر وروبرت شريفر، الآلية التي تتحد فيها الإلكترونات في أزواج كوبر وتتحرك دون مقاومة.

بلورة RbMn6Bi5 تشبه عمارة من خمسة طوابق من ذرات المنجنيز، حيث يشكل السكان في كل طابق خماسيًا. في درجة حرارة الغرفة، تتأرجح العزوم المغناطيسية للذرات بشكل عشوائي، مثل إبر البوصلات أثناء عاصفة مغناطيسية. ولكن بمجرد تبريد البلورة إلى ما دون درجة حرارة معينة، تتجمد الإبر فجأة في نظام صارم.

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.

في بلورة La₂₋ₓSrₓCuO₄ عند تركيب معين توجد حالتان في الوقت نفسه: الموصلية الفائقة، حيث تتحرك الإلكترونات دون فقدان للطاقة، وموجة الشحنة — وهي تكثف دوري لكثافة الإلكترونات. تتنافس هاتان الحالتان على نفس السحب الإلكترونية، التي تشبه بتلات على شكل صليب. لرؤية كيفية تفاعلهما، ضُغطت العينة على طول محور واحد، كما لو أنك تضغط برفق على كومة من الورق من الأعلى.

مرر تيارًا عبر تلامس بين موصل فائق ومغناطيس حديدي، وستسمع همس العالم الكمومي. في المختبر عند 0.3 كلفن، تحول هذا الهمس إلى زئير: الضوضاء الاندفاعية (shot noise) وهي ضوضاء كهربائية ناتجة عن تكميم الشحنة، كانت أعلى بمئة مرة مما تسمح به النظرية للتلامسات العادية.

المجال المغناطيسي بقوة 8 تسلا أقوى 200 مرة من مجال الأرض. عند هذا المجال، لا تنجو الموصلية الفائقة في الغشاء الرقيق من ثنائي تيلوريد البالاديوم فحسب، بل تظل قائمة حتى درجة حرارة 20 ميلي كلفن، وهي أبرد بمئة مرة من الفضاء الكوني. للمقارنة: في الغشاء السميك من نفس المادة، يكون المجال الحرج أصغر بـ 80 مرة. السر يكمن في السماكة.