سائل سبين كمومي

جزيء التريبتيسين يشبه نجمة ثلاثية الأشعة ذات أذرع صلبة. عندما تُنثر هذه النجوم على سطح الرصاص، تترتب تلقائيًا في نمط يشبه السلة المنسوجة: تتناوب المثلثات والسداسيات، وفي كل عقدة لا توجد نجمة واحدة بل زوج منها. تسمى هذه الشبكة كاغومي ثنائية الذرة، وقد وعد المنظرون منذ زمن طويل بأن حالات إلكترونية خاصة يجب أن تعيش على حوافها، تمامًا كما على حافة صفيحة الغرافين.

في ورشة الطبيعة، توجد آلة غريبة: تقطع سنونًا على البراغي، لكنها تمنع اليسار. يمكن لف البرغي بأي قوة، وفي أي اتجاه مع عقارب الساعة، لكن ضد عقارب الساعة ممنوع. هذه الآلة ليست خيالًا، بل قاعدة كمومية دقيقة بناها الفيزيائيون للتو للمواد المغناطيسية. في المغناطيس، السبينات (spins) — أسهم مغناطيسية صغيرة للذرات — تترتب وفق قواعد محددة.

بلورة الهيميميليت، التي تشبه كعكة طبقية من النحاس والبورون، تمثل سُلَّمًا مغزليًا: ذرات النحاس مرتبة في سلسلتين متوازيتين متصلتين بـ«عوارض». عند درجات حرارة منخفضة جدًا، لا تتجمد هذه المغازل في ترتيب مغناطيسي عادي، بل تشكل حالة كمومية خاصة — سائلًا مغزليًا كموميًا، حيث تتقلب اتجاهات المغازل لكنها تبقى مترابطة، مثل حشد من الناس لا يستطيعون تحديد اتجاههم فيتمايلون في مكانهم، مرتبطين بخيوط غير…

في غشاء رقيق من الكوبالت والحديد، مُرسَب على ركيزة من السيليكون، تتشكل دوامة مغناطيسية صغيرة جدًا — بنية شبيهة بالسكيرميون تُسمى القطرة المغناطيسية. لا تتبدد هذه الدوامة، بل تبقى محتجزة في مكانها، مثل قطرة زيت على مقلاة ساخنة، حيث يلعب التيار الكهربائي دور الحرارة، والذي يمر عبر برزخ ضيق عرضه حوالي مئة ذرة.

الغاز فائق السيولة هو حالة كمومية للمادة تتصرف فيها الذرات ككيان واحد، تمامًا كحشد من الناس يسيرون بخطى موحدة: كل ذرة «تعرف» اتجاه الحركة ولا تخرج عن الإيقاع الجماعي. لكن لهذا الحشد الكمومي ثلاث «وديان» — ثلاث حالات كمومية مسموحة تتوافق مع اتجاهات مختلفة للحركة الجماعية. في التجربة الجديدة، أنشأ الفيزيائيون اختلالًا في الطاقة بجعل إحدى الوديان أكثر ملاءمة قليلًا، وراقبوا كيف «تتخبط» النظام بين هذه الحالات.

بلورة PbCuTe₂O₆ عبارة عن شبكة ثلاثية الأبعاد من ذرات النحاس والتيلوريوم والأكسجين. بداخلها، العزوم المغناطيسية — أسهم صغيرة مرتبطة بـلفات الإلكترونات — متشابكة بحيث لا يمكنها الاصطفاف في ترتيب معتاد حتى بالقرب من الصفر المطلق. تُعرف هذه الحالة بالسائل الكمومي المغزلي: الأسهم المغناطيسية تتقلب باستمرار لكنها لا تتجمد أبدًا.

في عالمٍ قُيّد في شبكة بلورية وبُرِّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعرف المادة كيف تخفي أسرارها الكبرى. السائل الكمومي المغزلي هو حالة لا تتجمد فيها اللفات المغزلية للإلكترونات أبداً حتى عند درجة حرارة الصفر، وتبقى في تراكب متلألئ أبدي.

داخل الكواكب والنجوم، في محيطات البلازما الدوارة، تتصادم التدفقات المضطربة وقوى كوريوليس والتوتر المغناطيسي. اللغز الرئيسي هو كيف تتبلور طاقة هذه الفوضى في إطار مغناطيسي مستقر قادر على البقاء لمليارات السنين. لطالما شبهت عمليات البحث مطاردة شبح: حتى أن لودفيغ بولتزمان كان يأمل في العثور على تكاملات مخفية في النظرية الحركية، لكنه فشل.

في صورة هايزنبرغ المألوفة، يُفترض بالسبينات عند درجات الحرارة المنخفضة أن تنتظم في نمط صارم. لكن هناك بلورات — مثل البيروكلور — تحكم فيها الهندسة. كل أيون يجلس في رأس رباعي وجوه، ويفرض التفاعل الرئيسي قاعدة: سبينان يتجهان إلى داخل الخلية، واثنان إلى الخارج. هذه القاعدة ليست مجرد نصيحة: إنها تمنع بقوة اتخاذ خيار واحد قاطع.

في عالم المغناطيسية، سادت لفترة طويلة ثنائية بسيطة: المغناطيسات الحديدية، حيث تشير السبينات في اتجاه واحد، والمغناطيسات المضادة، حيث تصطف السبينات بنمط متناوب كرقعة الشطرنج، ملغيةً بعضها البعض. لكن لاعبًا ثالثًا حديثًا — المغناطيسات المتناوبة — أجبر على إعادة كتابة القواعد.

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.

في عالم يسعى نحو الفوضى، يولد أحيانًا إيقاع. لطالما أذهل تفاعل بيلوسوف-جابوتينسكي الكيميائي الخيال لعقود: في أنبوب اختبار، تتسابق الموجات الملونة من تلقاء نفسها، كما لو كانت كائنًا حيًا يتنفس المادة. شيء مشابه يكمن في البلورات، حيث تتوازن ذرات الحديد بين هيئتين مغناطيسيتين — عالية السبين ومنخفضة السبين.

المغناطيس العادي يشبه البوصلة: الإبرة تشير إلى الشمال. لكن البوصلة الكمومية قادرة على النظر في كلا الاتجاهين في وقت واحد. إذا تم تدوير مغناطيس عائم في الفراغ بحذر، فإن إلكتروناته التي تشبه 'الدوامات' تتزامن بحيث تبدأ قطعة المعدن بأكملها بالعيش وفق قوانين العالم الصغير - تستقر في حالة تراكب، كمؤشر منقسم.

قدرٌ به ماءٌ على الموقد: كلما زادت حرارة النار، أسرع تحوّلُ الثلج إلى ماء، والماء إلى بخار. الحرارة تُفكك النظام. لكن أحيانًا تفاجئنا الطبيعة، فتجمد السائلَ بالحرارة، كأنما تتجمد بركةُ ماءٍ في الصقيع. أشهر مثالٍ على ذلك هو الهيليوم-3: في درجات الحرارة المنخفضة يكون سائلًا، لكن إذا سُخّن إلى 0.3 درجة فوق الصفر المطلق، يصبح فجأة صلبًا.

ذاب السكر في الشاي، ثم عاد بلمسة واحدة إلى الملعقة. في المطبخ العادي لا يمكن رؤية هذا — فاللزوجة والفوضى يمنعان ذلك. لكن في عالم الحركات فائقة البطء، حيث يختفي القصور الذاتي، تصبح مثل هذه الحيل حقيقة. أخذ الفيزيائيون سحابة من الذرات الباردة في مصيدة مغناطيسية بصرية (magneto-optical trap) — وهي صندوق غير مرئي يحبس الجسيمات بالضوء والمجال المغناطيسي.

في البلورة العادية، تقف الذرات في صفوف منتظمة مثل الجنود في ساحة العرض. أي انحراف عن هذا النظام يُعتبر ضارًا: الفوضى تشتت الموجات وتخمد بسرعة الحركات الجماعية للجسيمات. لكن في بعض المواد، يتم خلط ذرات مختلفة عمدًا للحصول على ما يسمى بالبنية عالية الإنتروبيا (high-entropy structure) — نوع من السلطة حيث يحتل كل نوع من الذرات مكانًا عشوائيًا.

داخل الموصل الفائق، عادةً ما يلتف المجال المغناطيسي إلى أنابيب - دوامات، كل منها يحمل كمية واحدة من التدفق المغناطيسي. هذه هي الشبكة الكلاسيكية لأبريكوسوف. لكن في بلورات LiFeAs، الصورة مختلفة. التحليل الطيفي بالميونات أظهر أن المجال يخترق ليس بدوامات منفصلة، بل بشرائط. في كل شريط - أزواج من "الدوامات بلا قلب".

وفقًا لـالنموذج القياسي، الفراغ ليس خواءً، بل محيط من جسيمات افتراضية شبحية. المجال الكهرومغناطيسي فائق القوة، كما لو كان عاصفة، ينتزع أزواج الإلكترونات والبوزيترونات إلى الواقع.

كرة صغيرة بحشوة حديدية تستقر على سطح، ويدور حولها مجال مغناطيسي. تبدأ الكرة بالتدحرج مثل عجلة، وعادةً تتحرك في اتجاه دوران المجال. لكنها أحيانًا تنعكس فجأة وتتدحرج في الاتجاه المعاكس — عكس اتجاه المجال.

داخل الأرض يوجد لب حديدي صلب بحجم القمر. يطفو في معدن سائل ويتمايل قليلاً — مثل نواة الخوخ عندما تهز الثمرة. تسمى هذه التمايلات بأنماط سليتر (Slater modes): يتحرك اللب إما على طول محور الكوكب أو عبره. تعيق الحركة ثلاث قوى في وقت واحد. السائل اللزج يغلف اللب مثل العسل يغلف الملعقة. دوران الأرض يجعل السائل يتحرك بشكل حلزوني. والمجال المغناطيسي يخترق المعدن ويقاوم الإزاحة.

مغناطيس صغير، مبني من جزيئين فقط، استقر على سطح معدن — وتصرف كقائد أوركسترا متقلب. عادةً، تتحرك الإلكترونات في المعدن بتناسق، مثل حشد على سلم متحرك. لكن عند التبريد الشديد، ينهار هذا النظام، وتصبح الحركة غير متوقعة. هذا بالضبط ما تم رصده في التجربة الجديدة. التقلبات العشوائية في اللف المغزلي للجزيء تجعل إلكترونات المعدن تعيد ترتيب نفسها.

أحادي القطب المغناطيسي مثل نصفي مغناطيس لا يمكن أن يوجد كل منهما بمفرده في المادة العادية. لكن في الجليد السبيني، تظهر هذه الأقطاب في أزواج مرتبطة بخيط غير مرئي يُعرف بوتر ديراك (Dirac string). سابقًا، شوهدت هذه الأقطاب الأحادية فقط في أنظمة اصطناعية عند درجة حرارة الغرفة، لكن حركتها الكمومية ظلت لغزًا.

في بعض المواد، ترفض العزوم المغناطيسية للذرات — أسهمها الصغيرة — أن تتجمد حتى عند درجات حرارة منخفضة للغاية درجات الحرارة. فبدلاً من النظام المألوف، تشكل سائلًا مغزليًا: حالة تتلألأ فيها السبينات باستمرار، لكنها تفعل ذلك بتناغم، مثل راقصين يؤدون خطوة معقدة.

السلة المضفورة من الخيزران ليست مجرد أداة منزلية، بل هي مخطط دقيق لترتيب الذرات في بلورة YMn₆Sn₆. ست ذرات منغنيز تشكل سداسيات تترتب بنمط يذكرنا بالكاغومي الياباني. في مثل هذه الشبكة، تتصرف الإلكترونات عادة بشكل متشابه، كركاب في عربة مترو مزدحمة. لكن في هذه المادة، تنقسم بشكل غير متوقع إلى مجموعتين، وكأن بعض الركاب في العربة نفسها يسافرون بهدوء حتى المحطة الأخيرة بينما يتزاحم آخرون عند الأبواب.

تسقط قطرة حبر في كوب ماء، فتنتشر منها دوائر. يبدو الماء بسيطًا، لكن إذا نظرنا إلى الداخل، نجد أن كل جزيء لا يتحرك للأمام فحسب، بل يدور أيضًا، مثل قمة دوارة صغيرة. يسمي الفيزيائيون هذا الدوران الذاتي للجسيمات بالسبين (spin). عادةً لا نلاحظه: في الماء الهادئ، تدور القمم الدوارة بشكل عشوائي، ولا يؤثر دورانها على حركة السائل بأكمله.

المغناطيس المسطح يشبه ورقة رقيقة تجري عليها موجات التمغنط. في الظروف العادية، تخمد هذه الموجات بسرعة، لكن عند تشغيل مجال مغناطيسي قوي، تظهر في المادة إشارة غير متوقعة — واضحة وضيقة، وكأنها ظل للموجة الأساسية. عرّض العلماء بلورة CuF2(D2O)2(pyz) للنيوترونات وراقبوا كيف يتغير التشتت عند مجالات مختلفة.

الحلقة المكونة من ذرات مغناطيسية تشبه رقصة دائرية يمسك فيها كل مشارك بيدي جاريه. في المغناطيسات العادية، تمتلك كل ذرة عزمًا مغناطيسيًا دائمًا خاصًا بها، وتتفاعل هذه العزوم مثل أسهم صغيرة تسعى للاصطفاف بشكل متعاكس.

قطرة ماء على الطاولة تبدو هادئة، لكن داخلها تغلي حياة كمومية. البروتونات في ذرات الهيدروجين تشبه قممًا دوّارة صغيرة تدور باستمرار. لكل منها اتجاه دوران خاص. في مجال مغناطيسي، تصطف هذه القمم، وإذا بدأ المجال يتذبذب، تبدأ في "الرقص". لطالما أتقن الفيزيائيون التحكم في هذه الرقصة، لكن المجال عادة ما يكون ضعيفًا، فتنقلب القمم ببساطة.

الذرات المغناطيسية في الأجسام الصلبة تشبه إبر البوصلة: عادةً عند التبريد، تستقيم في اتجاه واحد — وهكذا ينشأ المغناطيسية. لكن في مادة TbInO3، تجلس إبر التربيوم على شبكة مثلثية حيث يستحيل إرضاء جميع الجيران في آنٍ واحد. إبرة تريد أن تتجه نحو الشمال، وأخرى نحو الجنوب، وفي النهاية لا تستطيع أيٌّ منها أن تستقر في وضع ثابت.

داخل المغناطيس توجد مناطق تتجه فيها جميع المغناطيسات الذرية في اتجاه واحد. بين هذه المناطق توجد منطقة انتقالية ضيقة حيث يتغير اتجاه المغنطة تدريجيًا. تسمى هذه المنطقة بالجدار المغناطيسي (domain wall). في السابق، كان يُعتقد أنها عديمة الوزن: بمجرد دفعها تتوقف فورًا. لكن التجارب الجديدة أظهرت أن للجدار قصورًا ذاتيًا. لا يمكنه التسارع أو التباطؤ لحظيًا. القصور الذاتي يجعل الجدار يشبه كرة ثقيلة.

سطح بلورة مركب اليورانيوم UTe2 يشبه بحرًا هادئًا: في بعض الأماكن تتحرك الإلكترونات بحرية، وفي أماكن أخرى تعلق بالقرب من الذرات. أظهر المجهر النفقي الماسح (وهو جهاز يتحسس السطح بإبرة حادة جدًا ويستشعر الإلكترونات الفردية) أن هذا المشهد ليس عشوائيًا. فقد ظهرت عليه تموجات منتظمة — موجة تترتب فيها العزوم المغناطيسية وإلكترونات التوصيل بالتناوب، مثل المربعات على رقعة الشطرنج.

تمت زراعة بلورة بحجم نصف علبة كبريت في فرن، حيث زحفت منطقة منصهرة ببطء على طول قضيب، تاركة وراءها طبقات مرتبة تمامًا. داخل هذه البلورة، تجلس أيونات النحاس في عقد شبكة مثلثية - لكن المثلثات منحرفة قليلاً، كما لو أن شخصًا ما ضغط على زاوية واحدة. يتصرف كل أيون نحاس مثل إبرة مغناطيسية صغيرة يمكن أن تشير إلى الأعلى أو الأسفل.

إذا سخّنت بلّورة، تبدأ ذراتها بالاهتزاز بقوة أكبر — مثل أوتار مشدودة بإحكام أو ارتخاء. في بلّورة LaCoO3 (مركب من اللانثانم والكوبالت والأكسجين)، عند التسخين من 2 إلى 650 كلفن، تحدث عمليتا إعادة ترتيب مهمتان: عند حوالي 100 كلفن تتغير الحالة المغناطيسية لأيونات الكوبالت، وعند حوالي 550 كلفن يتحول المادة من عازل إلى موصل.

التشابك الكمومي — وهي ظاهرة تصبح فيها حالات جسيمين أو أكثر مترابطة — يشبه طوقًا يربط هذه الجسيمات. لكن طول هذا الطوق محدود بشدة. في سلسلة من الجسيمات المتفاعلة، تلعب التقلبات الحرارية دور كلب نفور يشد الطوق: كلما ارتفعت درجة الحرارة، قصرت المسافة التي يظل عندها التشابك قائمًا.

أخذ الفيزيائيون 114 ذرة من الروبيديوم، وبرّدوها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (كما في تجارب الهيليوم السائل)، ثم رصّوها بعناية في نمط قرص العسل. ثم بدأوا بتغيير شدة التفاعلات تدريجياً، تماماً مثل رفع درجة الحرارة ببطء في قدر. على نار هادئة، حافظت الذرات على صفوف مغناطيسية منتظمة تشبه البلورة.

البلاط العادي يُرتب في نمط دوري — يتكرر الشكل مرارًا وتكرارًا. لكن الذرات، تلك "الطوب" الأساسي للمادة، تُظهر سلوكًا أكثر دهاءً: في ظروف معينة، تترتب تلقائيًا في فسيفساء معقدة لا يتكرر نمطها أبدًا — مثل لوحات القيشاني القديمة بتناغمها غير الدوري الصارم.

ثلاث ذرات أيتربيوم مشحونة مصطفة على شكل مثلث داخل مصيدة كهرومغناطيسية. عادةً ما تتواصل جميعها مع بعضها البعض، مثل ثلاثة أشخاص حول طاولة واحدة يتبادلون الأحاديث باستمرار. لكن إذا خرج أحدهم إلى الغرفة المجاورة، يستمر الحديث بين الاثنين الباقيين.

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.

تتصرف المغناطيسات في هذه البلورة كضيوف في حفلة يريد كل منهم الجلوس على الكرسي نفسه. لا يمكن لأحد أن يستقر نهائيًا — ومن هذا الاضطراب تولد حالة خاصة. في هذه الحالة، يتمكن العزم المغزلي (ما يجعل الإلكترون مغناطيسًا صغيرًا) من قطع 480 ميكرومترًا. للمقارنة: سمك شعرة الإنسان حوالي 80 ميكرومترًا، أي أن السبين يقطع ستة أضعاف هذا السمك على التوالي.