النيوبيوم

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.

ألماسة صغيرة لا تُرى بالعين المجردة، تستلقي على شريحة إلكترونية وتستشعر الحرارة بشكل لا يستطيعه أي مقياس حرارة عادي. داخلها عيبان مخفيان، مكانان استُبدل فيهما ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. يعمل هذان العيبان كزوج من الإبر الحساسة: تحت تأثير الموجات الدقيقة يهتزان، ويتغير تردد اهتزازهما عندما يسخن الألماس أو يبرد. يُسمى هذا العيب مركز NV (نيتروجين-فراغ).

ثقب أسود صغير يخترق سحابة هيدروجين فيمدد الذرات كما لو كانت حلوى مطاطية. هكذا يبدو الموصل الفائق عندما يُحتجز فيه تيار غير متبدد: المادة التي يتدفق فيها الكهرباء دون فقدان تتحول إلى مغناطيس دائم مصغر.

النيوترون هو جسيم يستقر عادة في نواة الذرة ولا يختفي. لكن بعض النظريات تفترض أنه قد يتحول أحيانًا إلى توأم غير مرئي — جسيم افتراضي لا يمكن التقاطه بواسطة أجهزة الكشف العادية. إذا حدث هذا، فسيفسر ما تتكون منه المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولكنها تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

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.

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.

جسر يسير عليه المشاة وراكبو الدراجات في تدفق واحد دون أن يعيق أحدهم الآخر. هذا هو تقريبًا مبدأ عمل الأنظمة الهجينة من الموصلات الفائقة وأشباه الموصلات: بعضها ينقل التيار دون فقدان، والبعض الآخر يتحكم في هذا التيار. ولكن لبناء مثل هذا الجسر، نحتاج إلى موصل فائق لا يخاف المجالات المغناطيسية القوية ولا يدمر القاعدة شبه الموصلة الهشة أثناء التصنيع.

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.

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.

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.

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.

الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي خصمان أزليان: يندفع المجال كإعصار يمزق التزاوج الرقيق لأزواج كوبر، ويدمر النظام. لكن في المواد ذات الترابطات الإلكترونية القوية، حيث ترقص الجسيمات وكأنها في مينويت معقد من التجاذب والتنافر، تتحول العداوة أحيانًا إلى تحالف. وهذا بالضبط ما يحدث في بلورة ثنائي تيلوريد اليورانيوم UTe2.

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.

على بعد 158 سنة ضوئية منا، حول نجم خافت قزم أحمر يدعى TOI-6894، يدور كوكب ببطء. ويكمل دورة كاملة حول نجمه في أقل من يومين أرضيين، لكنه عالم بارد نسبياً، درجة حرارته التوازنية نحو 420 كلفن، أي أدفأ قليلاً من حمام البخار. هذا العملاق الكوكب الخارجي TOI-6894 b، يطابق حجم زحل تقريباً، وإن كان أخف وزناً بشكل ملحوظ.

يتصرف عيب صغير جدًا في بلورة نتريد البورون كأنه مصباح مؤشر صغير. عند تسليط الضوء عليه، ينبعث منه ضوء، ويعتمد لون هذا الضوء على درجة الحرارة: فكلما زادت الحرارة، أصبح اللون أكثر احمرارًا. وفي الوقت نفسه، إذا تم تعريض العيب للموجات الدقيقة، يبدأ سطوعه في الوميض بنفس إيقاع المجال المغناطيسي الخارجي.

من السهل أن تفقد أوركسترا الإلكترونات المتناغمة في الموصل الفائق إيقاعها. فالصدمات الحرارية تدمر النظام الهش، ويعود المقاومة. لعقود، بحث العلماء عن طرق لتقوية هذا الفريق، غالبًا عن طريق تغيير تركيب المادة أو ضغطها إلى ضغوط لا يمكن تصورها. لكن هناك أداة ثالثة شبه غير ملموسة: الفراغ الممتلئ بالطنين الكهرومغناطيسي.

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.

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.

مغناطيس بحجم حبة أرز يطفو في الفراغ دون أن يلمس الجدران. يمسكه مجال مغناطيسي من مصيدة فائقة التوصيل — حلقة مبرَّدة إلى حالة تتدفق فيها الكهرباء دون مقاومة. الطفو ضروري لإزالة الاحتكاك: بدونه، حتى دفعة ضعيفة تجعل المغناطيس يتأرجح لفترة طويلة جدًا، مثل شوكة رنانة بعد ضربة.

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.

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.

يتسلل ضوء نجم بعيد عبر الغلاف الغازي لكوكب، ويحاول علماء الفلك تخمين مم يتكوّن هذا الغلاف. هكذا تُدرس أغلفة عوالم لا يمكن لمسها. عندما يمر الكوكب أمام قرص نجمه، يعترض حجابه الغازي جزءًا من الأشعة للحظات. وفي ذلك الضوء، تبقى بصمات الذرات والجزيئات كظلال صغيرة — لكل منها نمط فريد.

في بلورة Rb1-xV2Te2O، تصطف مغازل ذرات الفاناديوم في نمط رقعة الشطرنج: كل مغزل محاط بمغازل متعاكسة. يُسمى هذا النمط بالمغناطيسية الحديدية المضادة من النوع G. النيوترونات، عند مرورها عبر العينة، تتبعثر على هذا النمط وتكشف عن هندسته — مثل ضوء مصباح يدوي يمر عبر ستائر معتمة فيرسم خطوطًا على الجدار.

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.

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.

سلك رفيع من مادة جديدة ينقل الكهرباء دون فقدان إذا تم تبريده إلى ثلاث درجات فوق الصفر المطلق. الأمر يشبه الماء الذي يتدفق في أنبوب دون أن يواجه احتكاكًا بجدرانه. المادة تُدعى PtPb3Bi، وخصوصيتها تكمن في بنيتها الداخلية التي تشبه حزمة خيوط: الإلكترونات تجري بحرية على طول الخيط، لكنها تجد صعوبة في القفز بين الخيوط.

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.

غالبًا ما تُبنى الدوائر فائقة التوصيل على وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) — وهي أماكن يتدفق فيها التيار دون مقاومة عبر حاجز رقيق. عادةً ما يكون هذا الحاجز طبقة أكسيد، لكن من الصعب التحكم في خصائصها على المستوى النانوي. في العمل الجديد، يصبح الحاجز طبقة رقيقة من نيتريد النيوبيوم أو التيتانيوم، محصورة بين طبقات من النيوبيوم.

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.

ليزر يضرب ذرة سترونشيوم، فيخرج منها إلكترونان في نفس اللحظة. كان يُعتقد سابقًا أنه في مثل هذا التأين المزدوج، يتصرف كل إلكترون بمفرده: يُقذف الأول أولاً، ثم الثاني لاحقًا، بشكل عشوائي. التجربة الجديدة مع الذرات الباردة أظهرت العكس: الإلكترونان يغادران الذرة بشكل منسق، مثل زوج من الراقصين ممسكين بأيدي بعضهما.

قطعة الوقود النووي داخل المفاعل ليست مجرد جسم صلب. عند التسخين، تبدأ ذرات اليورانيوم في "تحريك" عزومها المغناطيسية، وهذه الحركة تغير التوصيل الحراري وخصائص أخرى. في السابق، كان من شبه المستحيل حساب هذا السلوك بدقة: الحسابات الكمومية تتطلب موارد لا يمكن تصورها، والنماذج العادية لا تأخذ في الاعتبار الارتباط بين المغناطيسية واهتزازات الشبكة البلورية.

ألقى العلماء نظرة على مغناطيس ثنائي الأبعاد مكون من ذرات النيكل المرتبة في مثلثات، باستخدام طريقة ابتكرها إيزيدور إسحق رابي — الرنين المغناطيسي النووي (يشبه التصوير بالرنين المغناطيسي). في الداخل، اكتُشفت أسهم مغناطيسية تجمدت في مجال قوي على نمط 'أعلى-أعلى-أسفل'، مثل تشكيل الجنود: خطوتان إلى الأمام وخطوة إلى الوراء.

تحويل الغازات الخفيفة مثل الهيدروجين والنيتروجين إلى حالة معدنية حلم قديم للفيزيائيين، يعود جذوره إلى تنبؤات حول سلوك المادة تحت ضغوط شديدة. في التجربة الجديدة، تم ضغط غاز النيتروجين إلى 130–140 جيجا باسكال — وهو ضغط يعادل وزن 14 مليون كيلوجرام على مساحة ظفر الإصبع — مع تسخينه في الوقت نفسه إلى 3000 درجة مئوية.

شريط فائق التوصيل أرفع من شعرة الإنسان موضوع على ركيزة من السيليكون. بجانبه دليل ضوئي صغير يجري فيه شعاع. عندما يصطدم فوتون بالشريط، يسخن بجزء من الدرجة ويتغير مقاومته فورًا. هكذا يتحول الضوء إلى إشارة كهربائية. لا يعمل فائق التوصيل إلا عند درجة حرارة منخفضة جدًا — حوالي 250 درجة مئوية تحت الصفر.

الصوت على سطح البلورة يشبه تموجات الماء، لكنه يجري على جسم صلب. هذه التموجات تُسمى الموجة الصوتية السطحية (surface acoustic wave): فهي تتحرك أبطأ من الضوء بمئة ألف مرة، لذا يمكن ضغطها في مقاطع قصيرة جدًا ووضعها على شريحة صغيرة. عادةً تُطلق هذه الموجات بواسطة أمشاط معدنية من الألومنيوم أو الذهب.

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.

يسقط ضوء الشمس على السطح، وتولد الإلكترونات في الغشاء الرقيق. يجب أن تصل إلى الأسلاك قبل أن تبرد وتفقد طاقتها. في كبريتيد القصدير — مادة رخيصة ومتاحة للبطاريات — تم تصوير هذا الجري والتبريد بدقة غير مسبوقة: اللقطات تتبع بعضها البعض كل جزء من مليار من مليار جزء من الثانية. نبضة الليزر تقذف الإلكترونات، مثل ضربة عصا البلياردو التي تسرع الكرات.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف بتناغم تام. إذا أخطأ أي آلة، تنهار اللحن. في هذا التشبيه، تلعب البتات الكمومية فائقة التوصيل دور العازفين، و«خطؤها» هو فقدان الترابط الكمومي. لطالما بحث العلماء عن مصدر الاضطرابات، وأحد الأسباب مختبئ في المادة نفسها التي صنع منها البت الكمومي.