سطح فوقي

كتاب بمشابك على صفحاته: لا يمكنك تقليب صفحة إلا إذا عرفت كيف تنقر على الحافة. هذا تقريبًا مبدأ عمل المادة الميتامواد الميكانيكية التي سنتحدث عنها. كل خلية فيها هي كتلة صغيرة داخل كتلة أكبر، متصلة بها عبر دعامة مرنة. يمكن للدعامة أن تتخذ وضعين مستقرين، مثل المفتاح الكهربائي. في أحد الوضعين، تكون الكتلة الداخلية شبه منفصلة عن الخارجية، ويستجيب الهيكل كله للدفعة بطريقة واحدة.

الضوء الساقط على البلاستيك العادي ينعكس جزئيًا، مما يسبب وهجًا كما يحدث على زجاج النوافذ. لكبح هذه الانعكاسات، يُطلى السطح بطبقة خاصة من عناصر مجهرية تعمل على إخماد الموجة المنعكسة. تُسمى هذه البنى بالمواد الفوقية (metamaterials): فهي مكوّنة من عناصر أصغر من طول موجة الضوء، ولذلك تتصرف كمادة واحدة ذات خصائص بصرية غير اعتيادية. كان يُفترض سابقًا أن جميع عناصر الطلاء يجب أن تكون متطابقة تمامًا.

ورقتان شفافتان مرسوم عليهما دوائر. إذا طُبقتا تمامًا، تتطابق الدوائر. لكن بمجرد إمالة إحداهما قليلًا، يظهر نمط جديد: في بعض الأماكن تتزاحم الدوائر، وفي أخرى تتباعد. هكذا تقريبًا يعمل الموار (moiré) — نمط غير متوقع ينشأ من تدوير بنيتين دوريتين. في هذا العمل، طبق العلماء الفكرة نفسها على الصوت، وبالتحديد على مجال سرعة الجسيمات الصوتية فوق سطح مثقوب.

الليزر العادي هو رنان (resonator) يتردد فيه الضوء بين مرآتين ويتضخم. لكن يمكن الاستغناء عن المرايا وجعل الضوء يدور في جسيم متناهٍ في الصغر أصغر من موجة الضوء نفسها. هكذا تعمل الليزرات الجديدة المصنوعة من جسيمات نانوية لفوسفيد الإنديوم الهيدروجين موضوعة على ذهب أملس تمامًا.

الضوء يتدفق كالنهر الخفي. إذا وضعت عائقاً في مجرى التيار، تلتف المياه في دوامات. وهكذا تُنشئ الأسطح الخاصة 'دوامات' ضوئية تلتقط الجسيمات النانوية كرقائق الخشب. ماكسويل استنبط معادلات ضغط الضوء في القرن التاسع عشر، واليوم تُصمّم الخوارزميات المبنية عليها تضاريس من أدق التفاصيل، تشبه مجرى ذلك النهر.

تخيل: تعزف أوركسترا سيمفونية، لكن الميكروفون لا يلتقط سوى طنين مدمج - tutti، حيث اختلطت أصوات الكمان الأجهر والنايات والصنوج. مهمة مشابهة واجهها الفيزيائيون لعقود، محدقين في حقول الكثافة أو درجة الحرارة أو الحث المغناطيسي.

يمكن تشبيه البتات الكمومية — الكيوبتات — بموسيقى هشة تُعزف وسط ورشة صاخبة. فالمجالات المغناطيسية، التي لا يمكن تجنبها في البيئة المحيطة، تعمل باستمرار على "إسكات" حالتها الكمومية، محولة الإشارة المنتظمة إلى نشاز.

إذا رصفت الأرضية بمثلثات متطابقة، ستحصل على نمط متكرر ممل. ولكن ماذا لو أردت نمطًا لا يتكرر أبدًا مع استخدام بلاطة واحدة فقط؟ لطالما اعتقد علماء الرياضيات أن هذا مستحيل؛ فأنت بحاجة إلى شكلين مختلفين على الأقل. فسيفساء بنروز الشهيرة هي مثال على ذلك: معينات بزوايا حادة ومنفرجة تشكل نمطًا متنوعًا بلا حدود لكنه منظم بدقة.

الضوء يحتاج إلى مساحة. عدسة الكاميرا تبعد عن المستشعر عدة سنتيمترات حتى يتسنى للأشعة أن تتركّز. والآن، تم ضغط هذه المسافة إلى سُمك ورقة، ومع ذلك يظل الضوء يتصرف وكأنه قطع سنتيمتراته المعتادة. هذا بالضبط ما تفعله "الصفائح المكانية" (spaceplates) — عناصر مسطحة تحاكي مسار الضوء الحر. حتى الآن، كانت لهذه الصفائح خاصية مزعجة: كلما زاد ضغط المساحة، ضاق مجال الرؤية.

المرايا في كاشفات التداخل لموجات الجاذبية هي "آذان" فائقة الحساسية، مضبوطة على تموجات الزمكان. لكنها تُطغى باستمرار على اهتزازها الذاتي: الحركة الحرارية للذرات داخل المرآة تُحدث ضوضاء، تمامًا كما لا يستطيع الميكروفون في محطة قطار صاخبة التقاط همس خافت.

العدسة العادية تكسر الضوء دائمًا بنفس الطريقة. خصائصها مجمّدة في الزجاج إلى الأبد. والآن ظهر سطح يغيّر قواعد اللعبة أثناء العمل. صنع العلماء غشاءً رقيقًا جدًا بعناصر رنينية وغمروه بالبلورات السائلة — نفس المادة الموجودة في شاشات الهواتف. الضوء الساقط على هذا الغشاء يولّد ترددًا مضاعفًا ثلاث مرات (وهذا ما يسمى توليد التوافقي الثالث).

تبدو ورقة عادية بيضاء لأنها تشتت كل الأشعة بشكل عشوائي. أما جناح الفراشة فيتلألأ بالأزرق والأخضر دون قطرة صبغة واحدة — فسطحه مغطى بأخاديد مجهرية تطفئ بعض موجات الضوء وتضخّم أخرى. لطالما حلم المهندسون بتكرار هذه الحيلة: صنع مادة تلون نفسها بنفسها، فقط بحبس الضوء في الأماكن المناسبة. في العمل الجديد، صنع العلماء حفرًا صغيرة في رقاقة سيليكون.

السباح الذي يشق الماء بسرعة تساوي سرعة الأمواج الجارية عليه يجد نفسه في موقف غريب: الأمواج التي يولدها بنفسه لا يمكنها أن تتقدم عليه ولا أن تتخلف عنه. إنها تتجمع عند مقدمة السباح وتتجمد. ظاهرة مماثلة تحدث عندما يتحرك مصدر ضوء داخل وسط بسرعة تساوي سرعة نقل الطاقة للموجات.

تضرب شعاع الليزر غشاءً من الذهب والفضة لبضع نانوثوانٍ فقط — خلال هذا الوقت يقطع الضوء مسافة أقل من متر. عند نقطة الاصطدام، يغلي المعدن ويتناثر ويتجمد في نمط عشوائي من جسيمات صغيرة. كل نمط من هذه الأنماط فريد مثل الشقوق على الجليد أو أغصان الأشجار. لا يمكن تكراره عمدًا: أدنى اهتزاز في الشعاع أو ذرة غبار تغيّر الصورة.

تخيل نهرًا: الماء يتدفق في اتجاه، بينما تتحرك الموجة على سطحه في الاتجاه المعاكس. هذه المفارقة هي المفتاح لفهم سلوك الضوء في المواد الزائدية. ففي هذه المواد، تتباعد طاقة الموجة الضوئية وجبهاتها الموجية في اتجاهات مختلفة، مما يفسد التركيز ويمنع صنع عدسة واضحة.

كرة زجاجية في كوب ماء تكاد تكون غير مرئية، لكن إذا نظرت عبرها إلى مفرش منقّط، فإن الخطوط خلفها تنحني. الخلايا الشفافة تتصرف بالمثل: الضوء يمر عبرها، لكنه يتباطأ قليلاً ويغيّر اتجاهه. المجهر العادي لا يستطيع التقاط هذا التغيير، لذا نحتاج إلى صبغات غالباً ما تقتل الخلية الحية. صنع المهندسون لوحاً أرقّ من شعرة الإنسان، وغطّوه بنمط من أعمدة صغيرة جداً.

قطعة سيراميك بحجم الظفر تُضغط في ملزمة، فتتغير بنيتها الداخلية مثل الطين تحت الأصابع. داخل المادة تصطف صفوف منتظمة من مناطق صغيرة كانت في السابق موزعة بشكل عشوائي. بعد هذا "التدليك"، تبدأ البلورة في نقل الضوء تقريبًا مثل الزجاج، وفي الوقت نفسه تتكهرب بشدة إذا ثُنيت أو ضُغطت. عادةً ما تكون الشفافية والقدرة على توليد الكهرباء من الضغط خاصيتين متنافيتين.

عندما يلتقي شعاعان من الضوء داخل بلورة، يمكن أن يولّدا شعاعًا ثالثًا بتردد مختلف. ولكي تكون هذه العملية فعّالة، يجب أن تسير الموجات بتناغم، كشخصين يمشيان جنبًا إلى جنب دون أن يختلف خطاهما. سابقًا، استُخدمت طريقتان تقليديتان لتحقيق ذلك: إما اختيار بلورة بخواص مناسبة، أو تقطيعها إلى طبقات رقيقة. كلتا الطريقتين ابتُكرتا منذ أكثر من ستين عامًا، ولكل منهما قيوده. يقترح مؤلفو الدراسة طريقًا ثالثًا.

شعاع الليزر عادة يشبه عمودًا مستقيمًا من الضوء. لكن إذا مررناه عبر رقاقة بنمط أدق من الشعرة، يتفكك الشعاع إلى آلاف الجيوب الضوئية الصغيرة. في كل جيب يمكن تعليق ذرة واحدة، مثل حبة بازلاء في حفرة. هذه الجيوب ضرورية للحواسيب الكمومية والساعات فائقة الدقة، حيث يجب أن تعلق الذرات بلا حراك ولا تزعج بعضها البعض. مؤلفو العمل صنعوا هذه الرقاقة من السيليكون البلوري على ركيزة من الياقوت (السفير).