موصلية فائقة في النيكلات

تخيل ملقطًا يُدخل في فرن صهر الحديد. الفولاذ العادي سيلين ويتدلى خلال دقائق. السبائك النيكلية الحرارية، التي تصنع منها شفرات المحركات النفاثة، تعمل حتى 1300 درجة مئوية، لكن بعد ذلك تستسلم هي أيضًا. والآن ألقِ نظرة على السبيكة الجديدة القائمة على النيوبيوم: عند 1500 درجة مئوية، تحتفظ بقوة مماثلة لقوة الألومنيوم البارد. سر المادة يكمن في بنيتها الداخلية.

غشاء رقيق من نيتريد الزركونيوم يستقر على ركيزة من أكسيد المغنيسيوم. سمكه عشرا ميكرون، مثل خيط العنكبوت، لكن داخله تغلي حياة كمية. عند التبريد إلى نصف كلفن، لا تختفي الموصلية الفائقة فيه فجأة: بل تتفكك إلى جزر نادرة لا تزال صامدة وسط الفوضى. هذه الفوضى تسببها فراغات الزركونيوم وذرات النيتروجين الزائدة.

في أرشيفات الكيمياء، حُفظت سجلات عن مواد لم تكن تُعتبر جديرة بالاهتمام لفترة طويلة. لكن بينها كانت تختبئ مواد ثنائية الأبعاد — طبقات بلورية بسماكة ذرة واحدة فقط، تتميز بقوة عالية وخواص إلكترونية غير عادية. طبق الباحثون بحثًا حاسوبيًا على قواعد البيانات البلورية، وكشف الخوارزم عن 38 مرشحًا لم يكن معترفًا بها سابقًا كمواد ثنائية الأبعاد. المواد ثنائية الأبعاد هي طبقات بسماكة ذرة واحدة.

شطيرة صغيرة من الأكاسيد، تُنمّى طبقة فوق طبقة، تصبح موصلة تمامًا عند درجة حرارة حوالي 200 درجة مئوية تحت الصفر. هذه ليست خدعة، بل فصل جديد في البحث عن مواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية.

بدأت القصة البوليسية الكونية بوميض هادئ في النطاق البصري. كان الجسم AT2019wzc يتوهج ويخفت ببطء مثل جمرة متوهجة. لكن بداخله كان يختبئ شيء أكثر طاقة — نبضات متكررة من الأشعة السينية اللينة، يسميها علماء الفلك ثورانات شبه دورية — انبعاثات قصيرة ولكن منتظمة من الإشعاع عالي الطاقة. تستمر هذه الثورانات لدقائق أو ساعات وتتكرر كل بضع ساعات أو أيام.

وُضعت قطعة من غشاء أرق من شعرة الإنسان بين سنداني الماس وبدأ الضغط عليها. ارتفع الضغط — مئة ألف ضغط جوي، نصف مليون، مليون… والمادة واصلت توصيل التيار دون مقاومة. الضغط البالغ 210 جيجا باسكال يعادل وضع ألفي فيل على ظفر إبهام اليد. أظهر غشاء نيكلات اللانثانم-سترونشيوم (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) صورة مذهلة.

تتصرف البلورة الطبقية La₃Ni₂O₇ تحت الضغط مثل أوركسترا يغير قائدها مستوى صوت مجموعات الآلات المختلفة. مع الانضغاط، يزداد قفز الإلكترونات بين الطبقات — ويبدو أن هذا يجب أن يعزز الموصلية الفائقة — الحالة التي يتدفق فيها التيار الكهربائي دون مقاومة. لكن في الوقت نفسه، يصبح جزء من الإلكترونات متحركًا للغاية.

شريحة رقيقة من السيراميك، مثل غشاء الصابون، يجري فيها التيار دون أدنى مقاومة. هكذا تبدو الموصلية الفائقة التي أمكن تحقيقها في النيكلات، وهي أقرباء للموصلات الفائقة النحاسية الشهيرة. عادةً، كان يتطلب ذلك ضغطًا هائلًا يعادل الضغط في قاع المحيط. لكن العلماء الآن وجدوا طريقًا ملتويًا: لقد زرعوا الغشاء على ركيزة بلورية تضغطه بقوة مقدارها 2.14%.

تيار بلا فقدان — حلم قديم لقطاع الطاقة. بعض المواد تصبح موصلات فائقة، لكن عادةً فقط عند برودة شديدة. مؤخرًا، في عائلة النيكلات — مركبات قائمة على النيكل — اكتُشفت مرشحات تعمل عند درجات حرارة أعلى. مجموعة من المنظرين تناولت ثلاثًا من هذه المواد (مع اللانثانوم والبراسيوديميوم والنيوديميوم) وحسبت سلوكها "من الصفر"، دون تكييف مع التجربة. كشف الحساب عن صورة غير متوقعة.

كعكة طبقية، كل طبقة فيها توصل الكهرباء بطريقتها الخاصة — هكذا تُبنى بلورة La3Ni2O7، مركب من النيكل واللانثانوم والأكسجين. التيار على طول الطبقات يسير بشكل مختلف عن التيار عبرها. الباحثون قاسوا مقاومة هذه المادة بدقة عالية، عاصرين إياها بسندان الألماس حتى ضغوط تصل إلى عشرات الآلاف من الأجواء.

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.

عائلة النيكلات هي بلورات طبقية تشبه كومة من الفطائر: طبقات النيكل والأكسجين تتناوب مع طبقات اللانثانوم. قبل عامين اكتُشف فيها الموصلية الفائقة — القدرة على توصيل التيار دون مقاومة عند التبريد. لكن بيانات المختبرات المختلفة تباينت وكأن كل مختبر يقيس مادة مختلفة. قررت مجموعة من الباحثين معرفة السبب.

في الوحل العكر، بين قطبين كهربائيين، تصطف سلاسل طويلة من البكتيريا — رفيعة مثل كابل مجهري. كل خيط من هذه الخيوط يوصل التيار لمسافة سنتيمتر كامل، وهو ما يعتبر ماراثونًا حقيقيًا للكائنات الدقيقة. السر يكمن في ألياف مدمجة في غلاف الخلايا نفسها: تمر عبرها الكهرباء تقريبًا دون فقدان، كما في سلك نحاسي.

الموصلات الفائقة — مواد قادرة على توصيل التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة — تتطلب عادةً تبريدًا شديدًا. لكن مركب Hg1223، المكون من الزئبق والباريوم والكالسيوم والنحاس والأكسجين، يتحدى هذه القاعدة: فمقاومته الكهربائية تنعدم عند -139 درجة مئوية. آلية هذه الظاهرة متناقضة: التنافر الكولومبي القوي بين الإلكترونات يجبرها على الاقتران في أزواج كوبر.

جسر من صفّين من الألواح الخشبية ينحني تحت أقدام المارة — وكل خطوة تتلقى مساعدة من الحركة المرنة للسطح. مبدأ مشابه يكمن وراء الموصلية الفائقة: تنزلق الإلكترونات دون مقاومة لأن الشبكة الذرية تتكيف معها بنفسها. في المواد القائمة على النيكل، لم تكن هذه الصورة تتشكل لفترة طويلة. إضافة الإلكترونات كادت أن تطفئ الموصلية الفائقة بدلاً من تقويتها.

ملعب مكتظ: الجماهير تتحرك بعشوائية، مسببة زحامًا ومقاومة. هكذا تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي. في الموصلية الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك بشكل متزامن — مثل متفرجين يمسكون بأيدي بعضهم ويغادرون المدرجات بهدوء، دون فقدان للطاقة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذا النظام يتطلب برودة شديدة ومواد خاصة مثل الكوبرات.

بلورة La3Ni2O7 تشبه كعكة طبقات، حيث تتناوب حشوة من ذرات النيكل والأكسجين مع طبقات من اللانثانم. عند الضغط العادي، لا يوصل التيار بدون مقاومة، ولكن بمجرد ضغطه أو زراعته كغشاء رقيق، تظهر موصلية فائقة عند درجات حرارة عالية. لفهم كيفية عمل ذلك، يجب فهم السلوك المغناطيسي لذرات النيكل في الحالة غير المضغوطة الأصلية.

طبقتان رفيعتان كالورق من مادة شبه موصلة توضعان فوق بعضهما وتُلفان قليلاً — بزاوية تتراوح بين ثلاث وأربع درجات. الشبكات الذرية لا تتطابق، وينشأ نمط كبير — نمط موريه (moiré)، يشبه تموجات لوحين للغسيل مزيحين بزاوية صغيرة. في هذا النمط، تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية.

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.

البلورة كالمدينة: إذا كانت الشوارع معوجة، تتعطل الحركة. في البلورة، تلعب الصفوف الذرية دور الشوارع، والحركة هي تدفق الإلكترونات. أي تفاوت بسيط، أو شائبة، أو إزاحة ذرة يجعل الإلكترونات تتبعثر. تعلم علماء من عدة مختبرات زراعة بلورات بحيث تصبح "الشوارع" مستقيمة بشكل شبه مثالي. الطريقة تسمى النقل الأفقي للمادة. تُنقل المادة ببطء على طول السطح، وتتاح للذرات فرصة لاحتلال أماكنها الصحيحة.

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.

الموصل الفائق هو مادة تفقد مقاومتها الكهربائية عند التبريد الشديد: يمر التيار فيها دون فقدان. أخذ العلماء بلورة طبقية من PdTe2، تشبه كومة من أوراق، وبرّدوها إلى درجة حرارة أقل من 1.8 كلفن (أي حوالي -271°م). في هذه الظروف يصبح PdTe2 موصلًا فائقًا.

ملح الطعام في المطبخ يجعل الطعام ألذ، وفي المختبر يساعد على زراعة بلورات بسماكة ذرات قليلة. استخدم العلماء سيلينيد القصدير وبمساعدة الملح زرعوا منه صفائح رقيقة جدًا — رقيقة لدرجة أنها تُسمى ثنائية الأبعاد. عمل الملح كفاصل: منع الصفائح من الالتصاق ببعضها وجعلها تستقر بالتساوي على الركيزة، مثل الفطائر على المقلاة. داخل هذه الصفائح اكتُشفت مناطق تتذكر اتجاه المجال الكهربائي — تمامًا كما تتذكر إبرة البوصلة اتجاه الشمال.

داخل الموصلات الفائقة النحاسية — وهي مواد توصل التيار بدون فقدان عند درجات حرارة مرتفعة بشكل غير متوقع — توجد طور خفي. يتصرف هذا الطور كمعدن عادي، لكنه لا يظهر في القياسات القياسية. جمع العلماء بيانات من جميع أنحاء العالم عن جميع الموصلات الفائقة النحاسية المعروفة ووجدوا أنه تحت درجة حرارة معينة (خط الفجوة الزائفة) تنتقل المادة دائمًا إلى هذه الحالة المعدنية الخفية.

يشبه التيار الكهربائي في الموصل الفائق حشدًا يركض في ممر دون احتكاك. لكن في الموصلات الفائقة من النوع الثاني توجد عوائق — دوامات صغيرة من المجال المغناطيسي يزيحها التيار من مكانها. بمجرد أن تتحرك الدوامة، تظهر مقاومة، وينخفض التيار. لذلك تُظهر القياسات العادية تيارًا أقل بشكل ملحوظ من الحد الذي تتحلل عنده الموصلية الفائقة.

الموصل الفائق هو مادة، عند تبريدها بشدة، توصل التيار دون فقدان، مثل الماء الذي يتدفق في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا ضربته بومضة ضوئية قصيرة، فإنه يفقد هذه الخاصية بسرعة. في التجربة الجديدة، أضاء العلماء غشاءً رقيقًا من نيتريد النيوبيوم وقاسوا خلال كم جزء من مليار من الثانية تختفي الموصلية الفائقة.

فيلم رقيق من النيوبيوم والقصدير يوصل التيار دون مقاومة ما لم يُجعل رقيقًا جدًا. عندها يتحول فجأة إلى عازل. قامت مجموعة من الفيزيائيين باختبار ماذا يحدث إذا أُضيف إلى الفيلم قليل من القصدير أكثر مما تتطلبه الصيغة. تمت زراعة الأغشية بالرش على ركيزة من السيليكون — تشبه إلى حد ما الطلاء بالرش، لكن بالذرات. في الأغشية ذات القصدير الزائد، كانت حبيبات البلورات أدق، وحدودها أكثر وضوحًا.

الحاسوب الكمومي يشبه آلة موسيقية: حتى الخدش الصغير على الوتر يفسد الصوت. بدلاً من الأوتار، لدينا رنانات فائقة التوصيل، وهي مسارات رفيعة من نيتريد التيتانيوم على رقاقة سيليكون. يجب أن تخزن المعلومات الكمومية، لكن أي تفاوت أو ذرة زائدة على السطح تستهلك الطاقة، مثلما يخمد الشق في الجرس رنينه.

المادة الطبقية (SnS)1.15(TaS2) تشبه رزمة من الورق، حيث توصل الصفائح التيار الكهربائي، وبينها طبقات عازلة تمنع الصفائح من الالتصاق ببعضها. عند الضغط العادي، توصل هذه المادة التيار دون مقاومة، أي أنها موصل فائق.

عند وزن قطعة ثلج في كوب ماء، يمكن معرفة كمية الماء التي تجمدت بالفعل. إذا كانت الميزان يخطئ بثلاثة أضعاف، فستبدو كمية الثلج أكبر بكثير مما هي عليه في الواقع. قصة مشابهة حدثت مع حسابات الطور فائق التوصيل في بلورة من النيكل واللانثانوم والساماريوم تحت ضغط عالٍ. التوصيل الفائق هو حالة تسمح للمادة بنقل الكهرباء دون فقدان، مثل تدفق الماء في أنبوب أملس تمامًا.

ميزان غير معاير بشكل صحيح يُظهر وزنًا أكبر من الحقيقي، فيبدو قطعة الجبن أثقل مما هي عليه. حدث خلل مماثل في قياس الموصلية الفائقة في النيكلات (nickelates)، وهي مواد توصل التيار دون مقاومة في ظروف معينة. قامت مجموعة من العلماء بقيادة تشو بقياس الجزء من عينة La4Ni3O10 الذي يصبح فائق التوصيل تحت الضغط، فحصلوا على 81–86%.

قضيب معدني من خمسة معادن مختلفة — الهافنيوم والنيوبيوم والاسكنديوم والتيتانيوم والزركونيوم — موضوع داخل فرن. بعد تسخينه إلى 600 درجة، تظهر داخله مناطق تشبه نمطًا من معدنين مختلطين، مثل عروق الرخام. هذه المناطق بالتحديد هي التي تجعل السبيكة بأكملها تنقل التيار الكهربائي دون فقدان عند درجة حرارة منخفضة جدًا — حوالي −263 درجة مئوية.

تم溶解 قميص قديم في قلوي للحصول على هلام، وأصبح هذا الهلام قلب مخزن الطاقة. أما المكون الثاني فصُنع من الشيتوزان، وهي مادة مستخلصة من قشور الجمبري. لا معادن هنا: فقط قطن معاد تدويره ومأكولات بحرية. تم نقع الهلام في ملح الأمونيوم، فارتفعت موصليته بنحو الضعف: من 17.1 إلى 37.8 ملي سيمنز لكل سنتيمتر. الأمر أشبه باستبدال مسار ضيق للأيونات بطريق واسع — فالشحنات تتحرك أسرع.

المعدن يشبه حبلًا من خيوط كثيرة: إذا شددته بقوة زائدة، يتمزق. لطالما بحث المهندسون عن طريقة لجعله قويًا ومرنًا في آن واحد. عادةً ما تجعل الإضافات التي تزيد الصلابة المعدن هشًا. لكن فريقًا من علماء المواد وجد ثغرة: أضافوا إلى سبيكة CrMnFeCoNi القليل من النيتروجين — ذرة واحدة فقط من كل مئة — وحصلوا على نتيجة غير متوقعة.

الموصل الفائق يشبه مدينة يتوقف فيها الإلكترونات عن التزاحم ويبدأون في التحرك كأزواج، مثل أشخاص يسيرون يدا بيد. في نيكيلات النيوديميوم-سترونشيوم (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂)، يحدث هذا "الاستعراض" عند درجة حرارة حوالي 10 كلفن (أي 263 درجة مئوية تحت الصفر)، ولكن ليس بشكل موحد في كل مكان.

الإلكترونات في المعدن تشبه حشداً في مترو الأنفاق: كل واحد مستقل، لكن عند أدنى دفعة يتحرك الجميع دفعة واحدة. هذه التذبذبات الجماعية لغاز الإلكترونات يسميها الفيزيائيون بلازموناً. في الموصلات الفائقة، هذه التذبذبات مهمة بشكل خاص، لأنها تُظهر كيف تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض. في النيكيلات — وهي موصلات فائقة مكتشفة حديثاً تعتمد على النيكل — لم يكن من الممكن رؤية البلازمونات حتى الآن.

طرف إبرة يُمرَّر على سطح لاستشعار التضاريس أصبح يمتلك "أنفًا" فائق الحساسية للمجالات المغناطيسية. قام العلماء بتجميع حلقة فائقة التوصيل مصغرة على طرف كابتيليفر — عارضة مرنة رفيعة كما في مجهر القوة الذرية — تلتقط أدنى تذبذبات في التدفق المغناطيسي. أولاً، تمت زراعة هيكل سلكي على شكل هرم على رقاقة سيليكون.

عند درجة حرارة 4.3 كلفن فوق الصفر المطلق، تتوقف بلورة تيلوريد البالاديوم عن مقاومة التيار الكهربائي. تتحد الإلكترونات فيها إلى أزواج وتتحرك دون فقدان للطاقة، مثل حشد ممسك بالأيدي. لكن يبدو أن لهذا الموصل الفائق طريقتين مختلفتين للاتحاد، وليس طريقة واحدة. ضغط الفيزيائيون إبرة رفيعة على البلورة وقاسوا مرور التيار عبر نقطة التلامس. لم تتوافق المنحنيات الناتجة مع صورة فجوة طاقة واحدة.

عزم ثنائي القطب المقاس للتنتالوم-181: 3.39 × 10⁻³² e·سم - مثل ملاحظة إزاحة بمقدار ذرة واحدة على مقياس النظام الشمسي. عادةً ما تكون النواة الذرية متوازنة تماماً كالقمة الدوارة. أما في التنتالوم، فإن التوازن مختل: الشحنات الموجبة والسالبة منزاحة قليلاً بالنسبة لبعضها البعض.