مقياس حرارة كمومي

كانت الكناري تُؤخذ إلى المنجم ليس من أجل تغريدها. كان الطائر يسقط من مجثمه قبل أن يلاحظ عامل المنجم غاز أول أكسيد الكربون. في الفراغ فائق الارتفاع، يقوم بدور الكناري سحابة من مئة ألف ذرة من الليثيوم أو الروبيديوم. يبرّدها الليزر إلى عشرات الميكروكلفن، فتبقى معلقة في مصيدة مغناطيسية ضحلة لا يتجاوز عمقها ألف كلفن تقريبًا.

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).

بدلاً من الحمام الجليدي، قميص غازي دافئ. هكذا أصبحوا الآن يبردون مقارن التيار المبرد في المعهد الوطني للقياس في اليابان. سابقًا، كان هذا الجهاز، الذي يقارن التيارات الكهربائية بدقة تصل إلى أجزاء من المليار، يتطلب الغمر في الهيليوم السائل. أما اليوم فهو يعمل داخل مبرد مغلق حيث لا يبرده سائل بل غاز. مقارن التيار المبرد هو ميزان للكهرباء.

شعاع ليزر يضرب هدفًا رقيقًا مخبأً داخل طبقات من مادة أخرى. خلال أجزاء من مليار من الثانية، تنضغط المادة حتى كثافة 25 غرامًا لكل سنتيمتر مكعب — وكأن قطعة رصاص أصبحت أثقل بمرتين ونصف تقريبًا مع بقائها في مكانها. تقفز درجة الحرارة إلى 20 إلكترون فولت، أي حوالي 230 ألف مرة أكثر حرارة من حرارة الغرفة.

البطارية العادية تُطلق الحرارة بشكل متدرج: ما تخزنه تُخرجه. القدرة محددة مرة وإلى الأبد — مثل صنبور يتدفق منه الماء في تيار واحد. لكن في بعض الأحيان لا نحتاج إلى تدفق منتظم، بل إلى اندفاع قوي قصير: تسخين قطعة فورًا، أو إطلاق تفاعل، أو التخلص من حرارة زائدة. جمع العلماء جهازًا من أنبوبين يتدفق فيهما الماء باتجاهين متعاكسين — ساخن وبارد.

المجال المغناطيسي للأرض ليس ثابتًا؛ فهو يرتجف بسبب الرياح الشمسية، والعواصف الرعدية البعيدة، وعمل مترو الأنفاق. لملاحظة هذه الارتجافات، نحتاج إلى جهاز لا يرتجف هو نفسه. لقد صنع الفيزيائيون مثل هذا الجهاز من ذرات الإيتربيوم المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق. في الغاز العادي، تتحرك الذرات بشكل عشوائي، وتضيع إشارتها خلال أجزاء من الألف من الثانية.

مترجم يحفظ كل الحوار مسبقًا يردّ فورًا — لا يحتاج إلى الاستماع إلى المحادثة كاملة من جديد. هكذا يعمل النموذج الجديد: فهو لا يشغّل الذرات في الحاسوب لساعات، بل يخرج مباشرة الطاقة الحرة للبلورة عند أي درجة حرارة وضغط.

في غرفة فائقة البرودة، تتصادم سحابتان من الذرات: بضع عشرات من ذرات السيزيوم التي تلعب دور وسط العمل، وآلاف ذرات الروبيديوم التي تمثل خزان الحرارة. كل تصادم هو تبادل حراري مجهري يمكن تشبيهه بضبط آلة موسيقية: درجة حرارة الخزان تحدد الإيقاع الذي تتبادل به الذرات الطاقة. وهذا الإيقاع، وليس فقط المجالات المغناطيسية، هو الذي يحدد مدى سرعة إتمام المحرك الكمومي لدورته.

جهاز استقبال راديوي بحجم كف اليد قادر على قياس قوة الإشارة بدقة تفوق مناضد المختبرات باهظة الثمن. لا توجد بداخله ملفات ولا هوائيات — فقط رأس زجاجي وسحابة من ذرات الروبيديوم مُبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تطفو الذرات في نقطة تقاطع أشعة الليزر، محتجزةً ليس بالمغناطيس بل بقوة الضوء — مثل ذبابة صغيرة في قطرة شراب.

العلاج الإشعاعي هو ضربة موجهة نحو الورم، لكن كل طلقة يجب أن تُضبط بدقة المليمتر وجزء من الثانية. المشكلة أن مقاييس الجرعات الحالية إما ضخمة، أو تشوه الحزمة نفسها، أو تتطلب توقفات للقراءة. مجموعة من الباحثين تجاوزت هذه العقبات باستخدام المادة الأكثر انتشارًا على الأرض — الماء.

تخيّل خدمة بريدية يتوقف فيها سعاة البريد فجأة عن الحركة. يبدو أن الرسائل لن تصل بعد الآن، وأن التواصل بين المدن سينقطع. ولكن ماذا لو اكتسبت الأظرف نفسها فجأة القدرة على تغيير شكلها ونقل الرسائل عبر شبكة عنكبوتية مشتركة، دون أن تتحرك من مكانها؟ هذا هو بالضبط ما اكتشفه الفيزيائيون في عالم المواد الكمومية.

في الغرفة، يلامس الهواء الجلد ونشعر بحرارته. لكن إذا انطلق الجسم فجأة بتسارع هائل، فستأتي الحرارة حتى من الفراغ المطلق. هذا ليس خيالًا، بل نتيجة صارمة لنظرية المجال الكمومي: بالنسبة لمراقب يتسارع، يصبح الفراغ حمامًا دافئًا. التأثير الذي تنبأ به ويليام أونرو في عام 1976، ظل حتى الآن بعيدًا عن الملاحظة المباشرة.

تخيل الماء كقاعة رقص واسعة، حيث كل جزيء راقص يدخل في شراكات عابرة باستمرار. هذه الروابط الهيدروجينية تولد أنماطاً محلية: بعضها يشبه رقصة هادئة ومنظمة - شبكة مرتّبة تحتوي على فراغات (بنية منخفضة الكثافة)، وأخرى تشبه رقصة صاخبة ومتدافعة حيث يتزاحم الراقصون في عناقيد فوضوية عالية الكثافة. قدرة الماء على تخزين الحرارة تتحدد بمدى سهولة تنقّل جزيئاته الراقصة بين هذين النمطين.

الحرارة تحيط بنا في كل مكان: من أنبوب عادم السيارة إلى هيكل حاسوب محمول يعمل. يمكن للمواد الكهروحرارية أن تحول هذه الحرارة المهدورة إلى كهرباء. لكن للعثور على مواد فعالة حقًا بين مئات المركبات، يجب قياس معلمتين أساسيتين بسرعة ودقة: مدى جودة توصيل المادة للتيار الكهربائي، ومدى شدة توليدها لجهد كهربائي عند اختلاف درجات الحرارة (وهو ما يُعرف بمعامل زيبيك).

الفراغ ليس فارغًا تمامًا أبدًا. في الفضاء المنحني — مثل الكون المتوسع أو بالقرب من ثقب أسود — يسخن الفراغ. هذا يشبه الموقف الذي يجعل فيه التسارع الجسيمات تظهر وكأنها من لا شيء: وهي ظاهرة تُعرف بالإشعاع الحراري للفراغ. بنى الفيزيائيون نموذجًا لبطارية كمومية تلتقط هذه الحرارة. البطارية عبارة عن كاشف صغير يتحرك بتسارع عبر حقل كمومي. في العمل، تم النظر في نوعين من الفضاءات المنحنية.

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.

العالم الكمومي مليء بالتحولات. أحيانًا يبدأ نظام مكوّن من جسيمات معينة بالتصرف وكأن جسيمات مختلفة تمامًا قد تسللت إليه. على سبيل المثال، في سلسلة من البوزونات — وهي جسيمات "اجتماعية" تحب التجمع في حالة واحدة — قد تظهر فجأة فرميونات، وهي عادةً ما تبقى منعزلة. إنها لا تستقر على ذرة محددة، بل تنتشر عبر النظام بأكمله، وكأنها ظل لرقصة جماعية. الإمساك بمثل هذا الظل ليس بالمهمة السهلة.

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.

الشوكة الرنانة تعلو نبرتها وتخفت ليس لأن أحدًا توقف عن الإمساك بها، بل لأن اليد نفسها التي تضربها تخلق حولها معلقًا غير مرئي يخمد الاهتزازات. هذا تقريبًا ما يفعله الرنان فائق التوصيل (superconducting resonator) — مسار صغير تجري فيه إشارة الميكروويف بخسائر شبه معدومة.

الآلة الحرارية ليست مضطرة أن تكون حديدية. في العالم المصغر، يمكن لإلكترون واحد أن يلعب دور المكبس، وبدلاً من الوقود، يمكن أن تكون عملية القياس نفسها هي الوقود. «جيبان» متجاوران للإلكترونات يتصلان بجسر ضيق. يمكن للإلكترون أن يتواجد في الجيب الأيسر أو الأيمن، لكن الطبيعة الكمومية تسمح له بالتسرب عبر الجسر — وهذا ما يسمى النفق الكمومي.

الحاسوب الكمومي القائم على الذرات المتعادلة يشبه مكتبة حيث لا تحتاج فقط إلى قراءة الكتب، بل أيضًا إعادتها بسرعة إلى الرفوف. القراءة البطيئة للنتيجة تشبه أمين مكتبة بطيء يؤخر الطابور بأكمله. وجد العلماء طريقة لتسريع هذه العملية بإضافة مساعدين. في الطريقة الجديدة، تُحيط بالذرة العاملة الواحدة (الكيوبت) عدة ذرات مساعدة.

قطعة معدنية محمّاة في الفرن تشبه مقلاة على الموقد: كلما زادت الحرارة، زادت سرعة انتقالها إلى يدك إذا لمستها. لكن عند درجات حرارة يكون فيها المعدن قريبًا من الانصهار، يصعب قياس هذه السرعة: الحساسات لا تلتصق جيدًا، والحرارة تتسرب إلى الهواء، والعينة نفسها تتوهج وتشوش الأجهزة. الطريقة الجديدة تتجاوز هذه العقبات.

يعرف الطباخ في المطبخ: ما إذا كانت العجينة ستلتصق بالمقلاة يعتمد على ما يحدث عند الحدود بين الوسطين. بالنسبة للمعادن المصهورة، ظلت هذه الحدود غير مرئية لفترة طويلة — فدرجة الحرارة الأعلى من 200 درجة مئوية لم تسمح برؤية الذرات المنفردة. الآن، صنع مهندسون يابانيون مجهر قوة ذرية يعمل كإصبع فائق السرعة: يتحسس السطح الساخن مئات المرات في الثانية ولا يسخن. السر في حيلتين.

كومة من الورق: إذا كانت الأوراق مكدسة بدقة فوق بعضها، يمر الضوء عبرها بشكل متساوٍ. لكن بمجرد إدارة ورقة بضع درجات، يتغير المشهد. هذا ما تفعله الطبقات في بعض المواد تقريبًا: أدرها بالنسبة لبعضها البعض — فتتغير الخصائص، وأحيانًا بشكل جذري. التحليل الطيفي لا علاقة له بالأمر — أو بالأحرى، ليس هو الأسلوب المستخدم. بنى العلماء جهازًا أطلقوا عليه اسم المجهر الكمومي للّف.

ثلاجة المستقبل المغناطيسية لن تصدر ضجيج ضاغط. ستعمل على تبريد الطعام من خلال مادة خاصة تسخن في مجال مغناطيسي وتبرد عند إزالة المجال. تشبه هذه الدورة ضغط وتمدد الغاز في الثلاجة العادية، لكن بدلاً من المكبس يعمل المغناطيس. لفهم مدى جودة المادة لمثل هذه الثلاجة، يجب قياس ثلاثة أشياء: مقدار الحرارة التي تطلقها، ومدى برودتها، وكيف تتغير سعتها الحرارية.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يعزف كل موسيقي دوره الخاص، لكن يجب أن يتناغم الجميع. حتى الآن، بُنيت معظم الدوائر الكمومية من ذرات متطابقة — كما لو كانت الأوركسترا تضم كمانات فقط. الآن، علّم الفيزيائيون عنصرين مختلفين العمل معًا: الروبيديوم والسيزيوم. بينهما أجروا عملية تشابك — وهي رابطة كمومية خاصة، حيث تؤثر حالة ذرة واحدة فورًا على الأخرى، أينما كانت.

المواد الكمومية مثل الزهور المدللة: لا تتفتح إلا في البرد. في درجة حرارة الغرفة، تُخفي خصائصها غير العادية، وعند التبريد الشديد تصبح موصلات فائقة أو تغيّر سلوكها المغناطيسي. لفهم كيفية عملها، نحتاج إلى فحص ذراتها في نفس البرد الذي تعيش فيه هذه الخصائص. المجهر الإلكتروني العادي لا يصلح لهذا الغرض: الهيليوم السائل الذي يُستخدم لتبريد العينة يهتز ويرتجف.

جهاز قياس الزلازل (seismometer) هو أذن الكوكب. فهو يلتقط أدق ارتعاشات التربة ويحولها إلى إشارة كهربائية. لكن هذه الأذن ليست مثالية: فحساسيتها تعتمد على درجة الحرارة. في الصقيع وفي الحر، يسمع الجهاز بشكل مختلف قليلًا، وهذا يُدخل خطأً في القياسات.

يسقط شعاع من الأشعة السينية على قطعة من الموصل الفائق، فترتفع حرارتها قليلًا. هذا التسخين، الذي يبلغ أجزاء من بليون درجة، هو الأثر الوحيد الذي يتركه الضوء. الكاشف الجديد يلتقط هذا الأثر تمامًا، مثل مقياس حرارة حساس يُضغط على معدن بارد. داخل المستشعر توجد طبقة رقيقة فائقة التوصيل تعمل على حافة فقدان خاصية التوصيل الفائق.

مقياس حرارة لا يكذب لسنوات. موازين الحرارة المقاومة العادية، حتى الدقيقة منها، تبدأ في ارتكاب الأخطاء بمرور الوقت: فالمواد تتقادم، وتتأكسد التلامسات، وتنزلق القراءات. أما مقياس الحرارة الكمومي الجديد فيعمل بشكل مختلف — فهو يستخدم ذرات الروبيديوم نفسها كمعيار. داخل خلية زجاجية صغيرة يوجد بخار الروبيديوم. يسلط العلماء عليه ليزرًا، فتهتز الذرات وتصدر ضوءًا بلونين مختلفين.

جسيمات متناهية الصغر تشبه الزهور تستطيع القيام بأمرين في آن واحد: التسخين والإخبار عن مدى سخونتها. هذا ليس خيالًا علميًا، بل نتيجة عمل على جسيمات نانوية من فريت الكوبالت — وهي مادة مغناطيسية تستجيب للمجال المغناطيسي. عادةً ما يتطلب التسخين وقياس الحرارة أدوات مختلفة، لكن هنا يجتمع كل شيء في جسيم واحد. كيف يعمل ذلك؟ توضع الجسيمات في مجال مغناطيسي متناوب، فتبدأ مغنطتها بالتذبذب.

رقاقة بلورية صغيرة تستقر على ركيزة، كورقة خريف على راحة اليد. سمكها أرق من شعرة الإنسان، وفي داخلها تغلي تأثيرات كمومية: موصلية فائقة، ترتيب مغناطيسي، وسائل مغزلي كمومي. ولكن كيف يمكن قياس مقدار تمدد هذه الرقاقة بالحرارة أو انكماشها في المجال المغناطيسي؟ يتطلب الجهاز المعتاد عينة بحجم زر — والبلورة النادرة بهذا الحجم ببساطة لا تنمو.

يمر شعاع الليزر عبر كوفيت زجاجي يحتوي بخار الروبيديوم، ومن طريقة امتصاص الذرات للضوء يمكن معرفة حرارتها. هذا يشبه قياس سرعة السيارات من خلال عدم وضوح الصورة الفوتوغرافية: فكلما تحركت الذرات أسرع، اتسع خط الامتصاص. مقياس الحرارة العادي يضيء بتردد واحد ويغيّره ببطء، مثل شخص يجرب مفاتيح البيانو واحدًا تلو الآخر.

داخل المبرّد الذي يبرّد المادة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ينبض قلب ميكانيكي — وهو الأنبوب النبضي. يضخ الغاز ويسحب الحرارة، لكنه مع البرد يجلب الاهتزاز. كل نبضة من هذا القلب تهزّ الأجهزة الموضوعة بجوار العينة وتفسد القياسات الدقيقة. سابقًا، كان يمكن ملاحظة هذا الاهتزاز فقط من الخارج، أما في الداخل — عند ثمانية أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر — فكانت المقاييس تتعطل.

القياسات الدقيقة لقوة الجاذبية ضرورية لكل من الجيولوجيين والملاحين. لكن مقاييس الجاذبية التقليدية أجهزة ضخمة تحتاج وقتًا طويلاً "للاستقرار" بعد كل قياس. وماذا لو احتجنا لمراقبة التغيرات السريعة في الجاذبية، مثلًا أثناء التحرك تحت الأرض أو في الجو؟ هنا نحتاج إلى جهاز صغير وسريع الاستجابة. يقترح مؤلفو المقال تجميع مثل هذا الجهاز على شريحة واحدة.

الأطوار الطوبولوجية عادة ما تختبئ في المبردات. الدوائر فائقة التوصيل، الذرات فائقة البرودة، النبضات الليزرية، كلها تحمي النظام الكمي من الضوضاء الحرارية.

الطريق إلى التوازن بالنسبة لكاشف كمومي يشبه مسارًا جبليًا: الصعود دائمًا أسرع من النزول. الذرة المتسارعة في الفراغ، التي تستشعر التقلبات الكمومية للمجال، تسخن حتى درجة حرارة أونروه. هذه العملية غير عكوسة، لكن سرعتها تعتمد على الاتجاه: التسخين يسبق التبريد. هذا التباين، المعروف باسم تأثير ميمبا الكمومي، يصبح مفتاحًا للتمييز بين إشعاع أونروه والضوضاء الحرارية العادية.

مقياس الحرارة المغمور في عينة ما يخبرنا عادةً بدرجة الحرارة فقط. لكن إذا كانت درجة الحرارة تتأرجح قليلًا، واستجابت العينة بتأخّر، فإن هذه الاستجابة تخفي أكثر من ذلك: الجزء التخيلي من السعة الحرارية، والذي تبيّن أنه قادر على سماع صدى الزمن الكمومي.

الآلة الحرارية مثل مركب شراعي: لكي تتقدم إلى الأمام، تحتاج إلى فرق. عادةً ما يكون هذا فرقًا في درجات الحرارة بين الخزان الساخن والبارد. ولكن ماذا لو بدأ الخزان نفسه في التحرك؟ الرياح التي تملأ الأشرعة لا تنشأ فقط من فرق الضغط، بل أيضًا من حركة الكتل الهوائية. في عمل جديد، تبيّن أن الحركة النسبية للخزانات تؤثر على الآلة الحرارية الكمومية مثل هذه الرياح، مما يسمح لها بتجاوز حد كارنو الكلاسيكي.

كيوبتان (وهما بتّان كموميان، أي نظامان ذو مستويين) ينزلقان عبر حمّامين حراريين، أحدهما ساخن والآخر بارد. يتحرك أحدهما بسرعة 0.8 من سرعة الضوء. في هذه اللحظة، تتصدع الديناميكا الحرارية المألوفة: فالكيوبت المتحرك يُدرك درجة الحرارة بشكل مختلف عن الكيوبت الساكن. بالنسبة له، قد يبدو الحمام البارد أكثر سخونة، والحمام الساخن أكثر برودة.