اقتران المغناطيسية والموصلية الفائقة

ثلاثي جاز يعزف في شبه ظلام النادي. عازف البيانو يقود اللحن، وعازف الكونترباس يمسك الإيقاع، وعازف الطبول يوزع النقرات. إذا استمعت إلى الثنائيات فقط، قد تلتقط كيف يتكيف عازف البيانو مع الباس، أو الباس مع الطبول. لكن الأهم يولد عندما يرتجل الثلاثة معًا في الوقت نفسه: عبارة واحدة من البيانو تغير لعب الطبال، والتي بدورها تدفع عازف الباس إلى خطوة جديدة.

في قاعة كبيرة، تقف شوكتان ضبطيتان على حاملين دوارين. كل واحدة مضبوطة على نغمة معينة، لكن إذا أُدير الحاملان بالزاوية المناسبة، تبدأ الشوكتان بالعزف بتناغم، متبادلتين الاهتزازات عبر الهواء. في تجربة من مختبر التقنيات الكمومية، لعب دور الشوكتين شريطان من البيرمالوي، وهي سبيكة من النيكل والحديد يسهل مغنطتها وإزالة مغنطتها.

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.

معدن مكوّن من خمس ذرات مختلفة، مثل حساء تطفو فيه قطع الجزر والبازلاء والبطاطس والبصل واللحم. كل قطعة هي عنصر خاص بها: الكروم والفاناديوم والتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم. تسمى هذه السبيكة عالية الإنتروبيا: لا يوجد فيها نظام بلوري واحد، والذرات مختلطة بشكل شبه عشوائي. عادةً ما تكون المغناطيسية والموصلية الفائقة في عداء.

راقصان على مسرح واحد: المثلث والخط. في غاز كمي من ذرات الديسبروسيوم، مبرَّد إلى 62 نانوكلفن، التقت هاتان البنيتان المكانيتان لأول مرة في تجربة واحدة. يُحتجز الغاز في مصيدة تشبه لوح ركوب الأمواج، وذراته من بين الأكثر مغناطيسية في الجدول الدوري. عزومها المغناطيسية أقوى بعشر مرات من ذرات الفلزات القلوية العادية، لذا تشعر الذرات ببعضها عن بُعد، مثل مغناطيسات صغيرة.

تخيل سُلَّمًا قضبانه مغناطيسات صغيرة. إذا كانت المغناطيسات المتجاورة موجهة بشكل متعاكس (مضادة للتوازي)، يكون السُلَّم في حالة "هادئة". ولكن إذا جعلناها تصطف في اتجاه واحد، فإن البنية بأكملها تتمغنط وتصبح "عنيدة" — ينشأ ترتيب مغناطيسي حديدي.

في الطبقات الرقيقة من بلورة سيلينيد التنتالوم (TaSe₂) اكتُشفت خاصية تتحدى الفيزياء المألوفة. عندما أُدخلت ذرات ضيفة بين طبقات هذه المادة، فقد البنية مركز التناظر الانعكاسي — وظهرت في داخله موصلية فائقة بحماية غير عادية. عادةً، المجال المغناطيسي القوي يدمر الحالة فائقة التوصيل، ممزقًا أزواج كوبر — الحالات المرتبطة من الإلكترونات ذات اللفات المتعاكسة.

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.

أقراص عسل مملوءة بـ«عسل» الإلكترونات. في الحالة العادية تتحرك الإلكترونات بشكل عشوائي، لكن عند التبريد الشديد قد تتحد في أزواج — وهكذا تولد الموصلية الفائقة. شكل هذه الأزواج، أو تماثل الاقتران، يحدد خصائص المادة: بعضها يرقص الفالس، وبعضها يرقص الفوكستروت.

صفحتان من سيلينيد التنجستن — ليستا من الكربون، بل من مركب التنجستن مع السيلينيوم — تُدوران بالنسبة لبعضهما بزاوية صغيرة جدًا، حوالي 5 درجات. ينشأ نمط مواريه: شبكة دورية مكبرة، حيث تتصرف الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية. مؤخرًا، وُجدت موصلية فائقة في هذه الطبقات الملتوية.

تبشر الإلكترونيات السبينية بنقل المعلومات ليس بالشحنة بل باللف المغزلي، مما يُخلّص الإلكترونيات الدقيقة من عدوها الرئيسي: تسخين جول. تُعلّق آمال خاصة على العوازل المغناطيسية، حيث يمكن أن يحمل التيار السبيني داخلها مغنونات أو متكثف سبيني واحد - حالة كمومية عيانية، أشبه بـالناقل الفائق بلا مقاومة.

فيلم مغناطيسي رقيق يشبه صفًا من الجنود الصغار بإبر مغناطيسية صغيرة. في العالم المسطح، تهز الصدمات الحرارية هذا الصف بسرعة — أدنى تسخين يدمر النظام. هكذا يعمل حظر ميرمين-فاغنر (Mermin–Wagner): في بُعدين، لا ينجو التناظر المستمر عند درجة حرارة محدودة. لكن بمجرد نقل المغناطيس إلى سطح منحنٍ مثل السرج أو ورقة ملفوفة، تتغير القواعد.

باستخدام التحليل الطيفي بالليزر التحليل الطيفي — وهي طريقة يمكن تشبيهها بالاستماع إلى صدى البلورة: نبضة ضوئية تثير العينة، والاستجابة تكشف عن البنية الداخلية — درس الفيزيائيون مادة ذات طبقات.

حشد من الناس يستطيعون التحرك بحرية، لكنهم فجأة يبدأون في التصرف ككيان واحد — هكذا يمرر الموصل الفائق التيار دون مقاومة. في موصلات الكوبرات الفائقة (مواد أساسها النحاس والأكسجين) تتصرف هذه القدرة بشكل غريب: كثافة "السائل فائق السيولة" الذي ينقل التيار تزداد أولاً مع إضافة حاملات الشحنة (doping)، ثم تنخفض. وكأن الحشد يصبح أكثر تماسكًا، ثم يتفرق فجأة.

كعكة طبقية من مستويات ذرية من النيكل والأكسجين — هكذا تُبنى النيكلات ثنائية الطبقة. فيها يفصل بين مستويين من هذا القبيل طبقة فاصلة. إذا جلست ذرة أكسجين في هذه الطبقة الفاصلة، فإنها تعمل كجسر: تربط الطبقات وتطلق حالة تتحرك فيها الإلكترونات دون مقاومة. أما إذا غاب الأكسجين، ينهار الجسر، وتظهر في المادة تموجات مغناطيسية — موجات كثافة السبين.

في قطعة من مغناطيس عادي، جميع لفات الإلكترونات — الإبر المغناطيسية الصغيرة — تشير في اتجاه واحد. إنه كطابور جنود يستديرون لمواجهة القائد. يُسمى هذا الترتيب مغناطيسًا بديلًا خطيًا. لكن الفيزيائيين وجدوا طريقة لجعل الطابور «يرقص»: باستخدام شعاعي ليزر بلونين مختلفين يضربان المادة بتناغم تام، يمكن إنشاء نوع جديد من النمط المغناطيسي في المادة.

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.

الموصلية الفائقة هي أن يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. عادةً ما تظهر في درجات حرارة منخفضة جدًا، لكن هناك مواد تظهر فيها عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق إلى ذلك هو ما يسمى بالنطاقات المسطحة: مناطق في الطيف الطاقي حيث تكاد الإلكترونات لا تتحرك، لكنها تتفاعل بشدة مع بعضها البعض.

بلورة مركب اليورانيوم UTe2 تشبه كعكة طبقات، حيث تتدفق الإلكترونات دون مقاومة. لكن إذا نظرت إلى سطحها بالمجهر، ترى تموجات — مثل الأمواج على الماء عندما تُلقى حصاة. هذه الموجات ليست من الماء، بل من الشحنة الكهربائية: تتجمع الإلكترونات تارة بكثافة وتارة بتخلخل، مكوّنة نمطًا دوريًا. قام العلماء بتبريد العينة، وتطبيق مجال مغناطيسي، وتغيير البلورة نفسها.

في شبكة بلورية تشبه سلة منسوجة، تشكل الإلكترونات أحيانًا أزواجًا وتتدفق دون مقاومة. هذه المادة - موصل فائق يعتمد على شبكة كاغومي - تتصرف مثل أوركسترا متقلبة: بمجرد إضافة القليل من التيتانيوم، تنتقل عصا القائد من نظام إلى آخر. أخذ الباحثون تركيبتين من سبيكة CsV3Sb5 بمحتوى مختلف من التيتانيوم وعرضوها للميونات - أقارب الإلكترونات الثقيلة.

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.

بلورة LBCO-0.125 عند الضغط العادي لا توصل التيار دون فقدان تقريبًا. داخلها، تصطف الإلكترونات في خطوط ذات مغنطة متناوبة، وتعمل هذه الخطوط كحواجز: تتشكل أزواج الموصلية الفائقة، لكنها لا تستطيع التدفق بحرية عبر العينة بأكملها.

تشبه بلورة Co2SeO3Cl2 كعكة طبقات، حيث كل طبقة عبارة عن شبكة قرص عسل منحنية من ذرات الكوبالت. عند التبريد إلى 25.4 كلفن (−247.75 درجة مئوية)، تبدأ العزوم المغناطيسية للذرات في الاصطفاف مثل إبر البوصلة، ولكن ليس دفعة واحدة، بل على أربع مراحل: عند 25.4 و16.8 و11 و3 كلفن. كل مرحلة هي نمط جديد من النظام المغناطيسي.

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.

الموصل الفائق هو مادة تنقل الكهرباء عند درجة حرارة منخفضة جدًا دون أي فقدان: تتحرك الإلكترونات دون أن تتصادم، مثل حشد يسير في ممر مستقيم تمامًا. ولكن بمجرد تفعيل مجال مغناطيسي قوي، تظهر داخل الموصل الفائق دوامات — مناطق صغيرة تختفي فيها الموصلية الفائقة.

الموصل الفائق العادي يشبه صفًا من الجنود يسيرون في أزواج: تتحد الإلكترونات وتتجه سبيناتها (وهي «قمم دوارة» داخلية) في اتجاهين متعاكسين. المجال المغناطيسي يقلب هذه الأزواج بسهولة، مدمرًا خاصية التوصيل الفائق. في UTe₂ الأمر مختلف. هناك، أزواج الإلكترونات لها سبينات موجهة في نفس الاتجاه — مثل شريكي رقص يمسكان بأيدي بعضهما ويدوران بنفس الإيقاع.

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.

البلورات الطبقية للكوبرات تشبه كومة من الفطائر: كل فطيرة هي مستوى من ذرات النحاس والأكسجين، وبينها طبقات وسيطة من عناصر أخرى. عادةً ما تُدرس الموصلية الفائقة على الكومة بأكملها، حيث تؤثر الطبقات على بعضها البعض.

المفتاح الكهربائي العادي يُحدث نقرة – فيمر التيار أو لا يمر. والآن، هناك مادة تتبدل بنفسها بين "نقل بلا فقدان" و"مقاومة" تحت تأثير مغناطيس. هذه هي الشطيرة التي صنعها الفيزيائيون: غشاء رقيق من الرصاص موضوع على موصل فائق من البزموت والسترونشيوم والكالسيوم والنحاس والأكسجين. بين الطبقتين نمت تلقائيًا طبقة رقيقة جدًا من أكسيد الرصاص – وهي عازل.

في مادة NaAlSi، تشكل الإلكترونات عند تبريدها تموجات عابرة - خطوط تظهر وتختفي، مثل نقش الماء بفعل الريح. تتشابك هذه الخطوط مع الموصلية الفائقة - حالة يتدفق فيها التيار دون مقاومة. عادةً، تتحد الإلكترونات في أزواج لها طاقة ترابط متساوية.

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.

في بلورة TiSe2، تتصرف الإلكترونات مثل إبر البوصلة التي تبدأ فجأة في الإشارة إلى اتجاه واحد. يُسمى هذا بالحالة النيماتيكية (nematic state) — قياسًا على البلورات السائلة، حيث تصطف الجزيئات على طول اتجاه مشترك، على الرغم من أن المادة نفسها تبقى سائلة. قام الباحثون بقياس كيفية تغير المقاومة الكهربائية للبلورة عند تمددها في اتجاهات مختلفة.

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.

اضرب جرسًا — وسيذوب الصوت طبقات: يبقى الدمدمة المنخفضة أطول، تختفي النغمات العليا أولاً، تاركة وراءها صمتًا. هكذا الكيوبت، وهو يعيش حياته الكمومية، لا يترك صدى واحدًا، بل ثلاثة أصداء من ماضيه. أسماؤها — اللاماكروواقعية، التحكم الزمني، وعدم القابلية للفصل الزمني — تبدو معقدة، لكن جوهرها بسيط: إنها ثلاثة أوجه لكيفية تذكر النظام الكمومي لحالته قبل لحظة.

الكيوبت فائق التوصيل — حلقة صغيرة بلا مقاومة — ينجز المهام أسرع من طرفة عين. ولكن بمجرد قطع التيار، يختفي كل ما حسبه. إنه مثل طاهٍ يطبخ دون تدوين الوصفة: ما دام واقفًا أمام الموقد يتذكر كل خطوة، وبعد ساعة لا يذكر شيئًا. يقترح مؤلفو العمل تسجيل النتيجة في الألماس.