تحول طوري بفعل الضغط

غشاء رقيق من نيكلات النيوديم بسماكة خمسة عشر نانومترًا يستقر على ركيزة من غالات النيوديم. عند درجة حرارة دون مئة وثمانين كلفن يتصرف كعازل: الإلكترونات محتجزة داخل خلاياها الذرية ولا تستطيع الحركة بحرية. لكن إذا سُلّطت عليه نبضة ليزر مدتها ثلاثون فيمتوثانية، أي ثلاثين جزءًا من مليون من مليار جزء من الثانية، يبدأ الغشاء بتوصيل التيار كالمعدن.

قطرة ماء على غشاء بوليمر فلوري تتصرف في البداية كما هو متوقع: تستقر وتتبخر. ولكن بمجرد أن يتقلص حجمها إلى ربع حجمها الأولي، تنطلق من مكانها وتقطع في أجزاء من الثانية مسافة تعادل عدة أضعاف نصف قطرها. بعد ذلك تزحف ببطء ولكن بإصرار، تاركةً خلفها أثرًا غير مرئي من الشحنات الكهربائية. هذا الأثر هو سبب الحركة.

في طبقة رقيقة من بلورة سائلة، تكون الجزيئات عادة موجهة مثل أعواد الثقاب في علبة: محاورها الطويلة متوازية، لكن الاتجاهين "للأعلى" و"للأسفل" موزعون بشكل عشوائي. لإجبار كل الجزيئات على النظر في اتجاه واحد، يلزم تصميم جزيئي خاص. وجد الباحثون حيلة كيميائية تفعل ذلك بشكل شبه تلقائي.

كومة من أوراق اللعب ملقاة بلا حراك. يمكنك أن ترفع البطاقة العلوية بإصبعك وتزيحها — هذا تدخل خشن. أو يمكنك أن تنفخ بحيث يتغير شكل الكومة كلها للحظة، لكن الأوراق لا تتطاير. هكذا تقريبًا يعيد الضوء في تجربة جديدة ترتيب بلورة سيلينيد القصدير (SnSe). عادةً، لتغيير بنية مادة صلبة، يُسخَّن الجسم أو يُمرَّر فيه تيار كهربائي.

في قدر به ماء مغلي، تظهر فقاعات البخار وتختفي، وصِراع مشابه يحدث في المواد ثنائية الأبعاد. هنا، تخلق الإلكترونات المغناطيسية وتحاول في الوقت نفسه إخمادها.

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.

تتصرف العديد من المواد مثل الجليد المتقلب: فهي تذوب عند ضغط معين، وتزداد صلابة عند ضغط آخر. والموصلات الفائقة من عائلة الكوبرات ليست استثناءً. فقدرتها على توصيل التيار دون فقدان تعتمد على مدى انضغاط الشبكة البلورية. في الدراسة الجديدة، تتبع الفيزيائيون هذا الاعتماد لمركب Bi-2223.

بلورة اليورانيوم والزرنيخ (UAs2) تحت الضغط تتصرف كبيت بغرفتين. في إحدى الغرفتين، تجلس الإلكترونات في مكانها، وفي الأخرى تتجول بحرية. في الظروف العادية، هذا هو «كوندو الشبيكي» الكلاسيكي: إلكترونات ثقيلة شبه ساكنة في المدارات 5f5/2 محاطة ببحر من إلكترونات التوصيل السريعة. ينشأ نطاق مسطح — كرفّ لا تكاد توجد فيه سرعة للإلكترونات. وهذا بالضبط ما يُلاحظ في تجارب الانبعاث الضوئي.

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.

بعض البلورات تتصرف كمفتاح كهربائي: غيّر درجة الحرارة أو الضغط قليلًا، فتتحول من موصل إلى عازل. وهذا ما يُسمى بانتقال موصل-عازل (تغير القدرة على توصيل التيار). هذه المواد الحرباء مطلوبة للإلكترونيات الذكية، والرقائق العصبية الشكلية (التي تحاكي عمل الدماغ)، والبصريات القابلة للضبط.

يشبه الموصل الأيوني حافلة مكتظة يحاول الركاب (الأيونات) فيه الضغط نحو المخرج. كان يُعتقد سابقًا أن الخروج السريع ممكن إما إذا كانت الحافلة تتمايل بنعومة (شبكة ناعمة) أو إذا وقف الركاب في ترتيب عشوائي (فوضى هندسية). يُظهر العمل الجديد أن هذين ليسا حيلتين مختلفتين، بل حيلة واحدة. تمايل الحافلة وتزاحم الركاب جزءان من آلية واحدة.

تُضغط ورقة مطاطية من الجانبين. للوهلة الأولى، يبدو الأمر تشوهاً عادياً. لكن في الداخل، في عمق المادة، يستيقظ نظام خفي. ليست هذه مجرد ثنيات على السطح. إنها ولادة مناطق خاصة تُحبس فيها الاهتزازات وكأنها في مصيدة. كان يُعتقد سابقاً أن مثل هذه التأثيرات تتطلب شبكات معقدة وبنى دورية. لكن اتضح الآن أن قطعة صلبة متجانسة من مادة فائقة المرونة قادرة على ذلك بنفسها. السر يكمن في الضغط الشديد وغير المتساوي.

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.

تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي مثل حشد فوضوي: فتصطدم ببعضها البعض وبعيوب الشبكة البلورية، فتفقد طاقة تظهر كمقاومة كهربائية. أما في الموصل الفائق، فتتحرك الإلكترونات بتناسق، كأزواج في رقصة منسقة، دون أن تصطدم ببعضها. وتتميز هذه الحالة بانخفاض الإنتروبيا — وهو مقياس للفوضى في النظام. هذا السلوك نادر في الفلزات النبيلة مثل الذهب والنحاس.

إذا سخّنت مسمارًا في النار، فسوف يستطيل — وهذا يعرفه الجميع. لكن إذا سخّنت طرفه فقط وتركت الآخر باردًا، فلن يصبح المسمار أطول فحسب: بل سينحني، لأن المعدن الساخن يتمدد أكثر من المعدن البارد. هذا الانحناء نفسه، لكن على المستوى الذري، هو ما حوّله الفيزيائيون إلى كهرباء. في العوازل — الزجاج والبلاستيك والسيراميك — لا توجد إلكترونات حرة تقريبًا، لذا فإن التأثير الكهروحراري (thermoelectric effect) المعتاد لا يعمل هناك.

إذا كنت تتحقق كل ثانية من مكان وجود الإلكترون، فإن خصائصه الكمومية تتغير. هذا يشبه طفلًا يلعب لعبة الغميضة، لكن يتم مناداته باستمرار بالاسم — فيتجمد ويتوقف عن الجري. في عالم الجسيمات، مثل هذا "المنادي" هو القياس. إنه يمنع الجسيمات من تكوين حالة كمومية مشتركة بحرية، أو التشابك.

أحياناً تسلك الإلكترونات في البلورة سلوك الجمهور في الملعب الذي يصنع «موجة»: مناطق ذات كثافة أعلى تتناوب مع مناطق شبه خاوية. تسد هذه الموجة طريق الحركة الحرة للشحنات — فلا تكون المادة موصلاً فائقاً في الظروف العادية. لكن بمجرد تطبيق الضغط، تختفي الموجة وتبدأ الإلكترونات في الحركة دون فقدان.

البلازما الكونية ليست غازًا هادئًا، بل هي حساء يغلي من الجسيمات المشحونة، تخترقها الحقول المغناطيسية. تتصرف هذه الحقول مثل الأشرطة المطاطية المشدودة: أحيانًا تتمزق ثم تعيد الاتصال فورًا، ولكن بطريقة مختلفة. هذه العملية، التي تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي، تحرر طاقة هائلة.

بعد الانفجار العظيم كان الكون يغلي 'كحساء' ناري من الجسيمات الأساسية. ومع توسعه وبرودته، تجمد الحساء تدريجياً إلى بروتونات ونيوترونات — أشبه بالتبلور. لو كان التجمد فورياً، كما تتشقق بحيرة من شدة الصقيع، لاهتز نسيج الزمكان. وكان هذا الاهتزاز سيولد موجات ثقالية — تموجات تستغرق قمتها الواحدة سنوات.

سبيكة البالاديوم والتيلوريوم التي أُضيف إليها القليل من الذهب تتصرف كسلك يفقد مقاومته عند التبريد. عند الضغط العادي، بلغت درجة حرارة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق للعينات الثلاث ذات المحتوى المختلف من الذهب 2.7 و4.1 و4.6 كلفن — وهذا أبرد من المجمد، تقريبًا مثل الفضاء الخارجي. ضغط العلماء هذه العينات في غرفة خاصة، كما لو كانوا يثبتونها في ملزمة، وراقبوا التغيرات.

تشبه بلورة Fe₃Sn₂ شبكة منقوشة، حيث توجد ذرات الحديد في زوايا أشكال سداسية. في الظروف العادية، تكون أسهمها المغناطيسية مصطفة بدقة، مثل جنود في طابور. ولكن بمجرد ضغط البلورة، ينهار هذا الطابور. تحت ضغط يبلغ حوالي 20 جيجاباسكال (وكأن عشرين فيلًا يقفون على ظفر إصبع)، تعيد الشبكة ترتيب نفسها قليلًا.

البلورة تغيّر هندستها الداخلية، مثل هيكل مبنى يميل قليلاً عند وقوع زلزال. في سبيكة المنغنيز والغاليوم (Mn₃Ga)، عند درجة حرارة حوالي 485 كلفن (أي حوالي 212 درجة مئوية)، يحدث انتقال مغناطيسي: ترتب الذرات في نظام مغناطيسي حديدي مضاد (antiferromagnetic order)، حيث تتجه العزوم المغناطيسية المتجاورة في اتجاهين متعاكسين.

قطعة من تيلوريد الفضة والأنتيمون تشبه الإسفنجة: فهي تمتص الحرارة بسهولة وتحولها إلى كهرباء. تُسمى هذه المواد بالمواد الحرارية الكهربائية، وهي تعمل بالفعل في المسابير الفضائية وثلاجات السيارات. لكن إذا ضغطت هذه الإسفنجة، فإنها تبدأ في التصرف كموصل فائق — يتدفق التيار دون أدنى مقاومة.

داخل الخلية الحية تسبح قطرات لا تمتزج مع السائل المحيط بها، مثل الزيت في الماء. هذه القطرات ليست مجرد تجمعات سلبية، بل تضغط بنشاط على الأغشية وتجعلها تنحني. لاحظ العلماء هذه العملية في الخلايا النباتية الحية، وأعادوا إنتاجها في أنبوب الاختبار، وحسبوها بالحاسوب. اتضح أن شكل الغشاء يعتمد على قوة التوتر السطحي عند حدود القطرة.

أنبوب هادئ بداخله شبكة مسخنة. يُرفع الجهد على الشبكة فجأة — ويبدأ الأنبوب فجأة في الطنين، معتمدًا على نفسه. هذا ليس عطلًا، بل انتقال إلى حالة مستقرة أخرى، مثل كرة تتدحرج فوق تل إلى حفرة مجاورة. داخل الأنبوب، يعزز الصوت والحرارة بعضهما البعض: تذبذبات الهواء تغير تسخين الشبكة، والتسخين يدفع التذبذبات.

الموصلية الفائقة هي قدرة المادة على توصيل الكهرباء دون فقدان. الأسلاك العادية تسخن، ويذهب جزء من الطاقة في صورة حرارة، بينما الموصل الفائق يمرر التيار دون مقاومة. لكن حتى الآن، كان يُحصل على هذه الحالة فقط في درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، مما يعيق تطبيقها في الحياة اليومية.

خيط مرن مطويّ على شكل حلقة حُبس في صندوق صغير مع سائل. يمكنه إما أن يمتص الماء وينتفخ كالإسفنجة، أو يطرد الرطوبة وينكمش إلى كرة محكمة. الاختيار بين هاتين الحالتين يعتمد على ما إذا كانت الخيط معقودة — ونوع العقدة بالتحديد. السبب في ذلك هو الإنتروبيا، مقياس الفوضى. العقدة تقيّد انحناءات الخيط الممكنة، مغيّرةً التوازن بين الميل إلى النظام والفوضى.

بلورة أكسيد الأوزميوم OsO₂ تشبه مراهقًا عنيدًا: في الظروف العادية تتصرف كمعدن عادي، لكن بمجرد الضغط عليها بقوة أكبر، يتغير سلوكها. قام الفيزيائيون بزراعة هذه المادة على شكل بلورات مفردة عالية الجودة واكتشفوا أنه عند الضغط الجوي، يكون OsO₂ موصلًا جيدًا بسلوك سائل فيرمي واضح، حيث تتناثر الإلكترونات بشدة على بعضها البعض، مثل حشد في ممر ضيق.

الموصل الفائق ينقل التيار دون فقدان، مثل طريق مستوٍ تمامًا تسير عليه السيارات دون احتكاك. ولكن ماذا لو ألقينا الحجارة والحفر على الطريق؟ قرر العلماء اختبار ذلك بإضافة فوضى إلى مادة موصلة فائقة بسماكة ذرة واحدة. أخذوا طبقة رقيقة للغاية من مركب الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم — موصل فائق عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة العديد من المواد الأخرى.

يتجول جسيم في وسط مليء بالعوائق. أحيانًا يدفعها أمامه مثل كاسحة الثلوج، وكان يُعتقد أن هذا الدفع هو ما يوقف الحركة في النهاية. لكن في الفضاء ثلاثي الأبعاد، لا تعمل هذه الآلية. اتضح أن التوقف يحدث بسبب أحداث نادرة: من وقت لآخر، يجد الجسيم نفسه محاصرًا بالصدفة، وتُغلق جميع المخارج أمامه، وكأن الأبواب تُصفق.

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.

بلورة من السترونشيوم واليود والأكسجين والهيدروجين — تبدو للوهلة الأولى كمسحوق أبيض عادي. لكن إذا ضغطتها بقوة تعادل مئات الآلاف من الأغلفة الجوية، يبدأ داخلها إعادة ترتيب. ذرات اليود، التي عادةً ما تبقى متباعدة، تقترب فجأة وتشكل روابط جديدة. عند ضغط 2.5 غيغاباسكال (وكأنك وضعت ثقلاً وزنه 25 طناً على ظفر إصبعك) تبدأ جزيئات حمض اليوديك واليودات المنفردة بالاندماج في أزواج.

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.

يسخن السلك العادي عندما يمر به تيار كهربائي. أما الموصل الفائق فلا يسخن. لكن几乎所有 الموصلات الفائقة المعروفة تعمل إما عند درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، كما في أعماق الكواكب. لطالما بحث العلماء عن مادة تستغني عن هذه الحالات القصوى. في الدراسة الجديدة، استُخدم مركب من الليثيوم والنحاس والهيدروجين — Li3CuH4. بداخله طبقتان بطبيعتين مختلفتين.

إذا ألقيت حجرًا في بركة، ستنتشر دوائر على الماء. في بلورة مغناطيسية صغيرة أيضًا توجد موجات — لكن ما يهتز ليس الماء، بل اتجاه المغنطة. تُسمى هذه الموجات بالموجات المغزلية (spin waves). تجري عبر البلورة مثل تموجات على السطح، ويمكنها حمل المعلومات. أخذ الفيزيائيون صفيحة من حديقة الإيتريوم الحديدية — وهي بلورة برتقالية شفافة تُقدَّر لنقاء تذبذباتها المغناطيسية.

بلورة Ca2RuO4 تشبه رزمة من الأوراق الرقيقة. داخل كل ورقة، تصطفّ لفات الإلكترونات (spins) بترتيب صارم — كصفوف الجنود في الميدان. بين الأوراق يكون الترابط ضعيفاً، ويمكن قلب إشارته بمدّ البلورة قليلاً من الجانبين. عند مدّ البلورة، تتغيّر إشارة هذا التلامس البيني الضعيف، فيُعاد ترتيب النمط المغناطيسي كله.

في ورش المجوهرات، لا يُخلط الذهب مع الروثينيوم: فالأول لين ولامع، والثاني صعب الانصهار وهش. لكن على المقياس النانوي، يندمج المعدنان في سبيكة واحدة، تبدأ عند التسخين في الانفصال، مثل الزيت والماء في مرق يبرد. هذا السلوك بالتحديد هو ما صوره الباحثون وهم يدرسون جسيمات أصغر من جزء من مائة من سمك الشعرة. في البداية، تمثل الجسيمات النانوية خليطًا متجانسًا من الذهب والروثينيوم بترتيب مكعب للذرات.

يتصرف جسيم صغير من أكسيد الفاناديوم مثل نافذة ذات شفافية قابلة للضبط: في حالة ما يمرر الضوء تحت الأحمر، وفي حالة أخرى يبدأ بامتصاصه. ولا يحدث التحول فجأة، بل بتدرج، مثل إدارة مقبض باهتة الضوء التي تغيّر سطوع المصباح. وهذا الانتقال بين الحالة المعدنية والحالة العازلة هو ما تمكن العلماء من رصده بدقة غير مسبوقة.

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.

تُضغط بلورة الموصل الفائق في خلية صغيرة، وكأنها تُحكم في ملزمة، لكن مع الماء لتوزيع الضغط بالتساوي. ضغط يصل إلى 1.08 غيغاباسكال (أي ما يعادل مئة ضعف ضغط إطار سيارة تقريبًا) لا يغيّر كثيرًا درجة الحرارة التي يفقد عندها المادة مقاومتها. لكنه يعزز بشكل ملحوظ قدرتها على تمرير التيار دون فقدان في مجال مغناطيسي، وهو ما يُعرف بالتيار الحرج.