توليد التوافقية الثانية

تنفذ نبضة ليزرية في بلورة Ca0.4Sr0.6CuO2، فتبدأ داخل سلاسل ذرات النحاس والأكسجين رقصة لا تدوم أكثر من جزء من مليون من النانوثانية. في الموصل العادي تتحرك الإلكترونات بحرية عبر المادة، أما هنا فيُثبّتها التنافر الكولومي القوي في مواضعها، مثل ركاب في حافلة مزدحمة. يقتلع الضوء إلكترونًا من موضعه، فيتشكل زوج: دوبلون (إلكترونان على عقدة واحدة) وهولون (موقع فارغ).

هدف الغاز يشبه القمع: كلما كانت جدرانه أكثر انحدارًا، كان التدفق أقوى. فقط في هذا القمع لا يتدفق الماء، بل الضوء فوق البنفسجي، الذي يولد عندما تمر نبضة ليزر قوية عبر سحابة من الأرجون. كفاءة هذا التحويل عادة ما تكون ضئيلة، حوالي 0.001%: من بين ألف فوتون ليزر، يتحول واحد فقط إلى أشعة فوق بنفسجية مفيدة.

في غرفة مظلمة، تقفز شرارة كهربائية بين سلكين — فيومض الضوء للحظة. أعاد الفيزيائيون إنتاج شيء مشابه، لكنه أصغر بمليون مرة: على الحدود بين بلورتين شفافتين، رسموا مسارًا موصلًا وتركوا فيه فجوة عرضها بضعة ذرات فقط. وعندما طُبّق جهد مستمر على هذه الفجوة المجهرية، بدأت تُصدر ضوءًا. لم ينشأ التوهج بسبب التسخين، كما في المصباح المتوهج، بل بفعل المجال الكهربائي نفسه.

الكولاجين هو بروتينات بنيوية تنسج منها أوتارنا وجلدنا وعظامنا. كل جزيء كولاجين هو حزمة من ثلاث سلاسل ببتيدية ملتوية في حلزون ثلاثي، مثل ثلاث خيوط في حبل. حتى الآن، لم يرصد أحد مباشرة ما يحدث لهذه الخيوط عندما نشد الحبل. في العمل الجديد، أخذ العلماء أليافًا مفردة من أوتار البقر ومدّوها، بينما سلطوا عليها ليزرًا ولمسوها بإبرة فائقة الرقة من مجهر القوة الذرية.

الضوء في غرفة عادية يختفي في لحظة بمجرد إطفاء المصباح. أما في تجويف صغير من نيتريد السيليكون، فيمكن للفوتون — وهو كمّ الضوء — أن يرتد بين الجدران 80,000 مرة قبل أن يضيع. الأمر أشبه بكرة تُقذف في غرفة فترتد عن الجدران دون أن تفقد سرعتها تقريبًا. هذه التجاويف، التي تُسمى المرنانات الضوئية الدقيقة، تُصنع من مادة تشبه الزجاج لكنها تتحمل درجات حرارة عالية وتتوافق مع الإلكترونيات.

ينتشر شعاع الضوء عادة في خط مستقيم، ولكن يمكن جعله يدور حول محوره، مثل الماء الذي يتشكل في دوامة عند التصريف. هذا الضوء "الدوامي"، الذي يحمل زخمًا زاويًا مداريًا، قادر على نقل معلومات أكثر، وهو مطلوب للاتصالات فائقة السرعة والحوسبة الكمية. كانت المشكلة أن إنشاء مثل هذه الأشعة يتطلب عدسات ومرايا ضخمة وضبطًا دقيقًا، أي طاولة بصرية كاملة.

تبدو بلورة أكسيد النحاس كحصاة حمراء داكنة. لكن عندما يصطدم بها نبض ليزري قصير، تتولد بداخلها أزواج: إلكترون و«ثقب» — مكان ينقصه إلكترون. يُسمى هذا الزوج إكسيتون ويتصرف تقريبًا مثل ذرة الهيدروجين: تدور الجسيمات حول بعضها البعض، مرتبطة بتجاذب كهربائي.

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.

وتر الغيتار، إذا نُقر من منتصفه تمامًا، يصدر فقط النغمات التوافقية الفردية (odd harmonics). يسري نفس الحظر في البلورات المتناظرة: حين يقتلع الضوء الإلكترونات، فإن الإشعاع الناتج عنها لا يحتوي إلا على التوافقيات الفردية. لكن الفيزيائيين وجدوا طريقة للالتفاف على هذا الحظر، دون تحريك ذرة واحدة. السر يكمن في التيار الكهربائي. إذا مررنا تيارًا عبر البلورة نفسها، تتشوه السحابة الإلكترونية وينكسر التناظر.

الكون يعزف لحنه، لكن أذننا لا تلتقط إلا النغمات الجهيرة. مرصد لايغو يسمع هدير اندماجات الثقوب السوداء، وهو أشبه بالموجات دون الصوتية للكون. أما في الترددات الأعلى، في نطاق الغيغاهيرتز، فترن مزامير وكمنجات الجاذبية البدائية.

عند شدة ضوء منخفضة للغاية الفوتونات تصل إلى الكاشف واحدة تلو الأخرى — مثل قطرات من صنبور غير محكم الإغلاق، ولا تشكل أزواجًا أبدًا. هذه الظاهرة، المعروفة باسم مضادة التجميع، تم التنبؤ بها نظريًا من قبل روي غلاوبر وتم تأكيدها تجريبيًا لأول مرة من قبل ليونارد ماندل، لتصبح دليلًا مباشرًا على الطبيعة الجسيمية للضوء.

دوّارة (كاروسيل) بمقاعد من نوعين: بعضها يدور مع عقارب الساعة، والبعض الآخر عكسها. إذا دفعت كل المقاعد دفعة واحدة، تهتز الدوّارة لكنها تبقى في مكانها. هكذا تعمل بلورة أشباه المعادن الفايلية: تولد الإلكترونات فيها أزواجًا — «يساري» و«يميني» — ويلغي كلٌّ منهما مساهمة الآخر في التيار، مثل محركين متطابقين يعملان في اتجاهين متعاكسين. وجد الفيزيائيون طريقة لدفع نوع واحد فقط من المقاعد.

مرآتان دقيقتان في الفراغ، تشبهان بندولين متزامنين. اهتزازاتهما تتزامن بخيط جاذبية غير مرئي. عند تبريدهما إلى أجزاء من مليون من الدرجة فوق الصفر، يحولهما هذا الخيط إلى رابط كمومي واحد — حركة إحداهما تنتقل فوراً إلى الأخرى. يسجل الليزر الحالة الكمومية على المرآة اليسرى.

طبقتان رقيقتان للغاية، كل منهما بسماكة ذرة واحدة فقط، توضعان فوق بعضهما وتُلويان قليلًا. مثل ورقتين من ورق الكربون الملون: ما دامتا مستويتين، تكون الصورة واحدة، لكن بمجرد اللف يظهر نمط مواريه. هنا، النمط غير مرئي للعين، لكنه يغيّر تمامًا كيفية تعامل المادة مع الضوء.

الضوء، كما وصفه ماكسويل، يتصرف بشكل مختلف في الأوساط المختلفة. في بحث جديد، تم نمذجة بلورة ثنائية الأبعاد تمتص الضوء وتمتلك خصائص مغناطيسية. فيها، تتصرف موجات الضوء مثل الركاب على سلم متحرك أحادي الاتجاه: تتحرك بلا هوادة نحو الحواف والزوايا، حيث تتجمع.

ومضة الكاميرا العادية تستمر لأجزاء من الألف من الثانية. النبضة الأتوسيكندية أقصر بمقدار تريليون مرة — فخلال زمنها، يقطع الضوء مسافة أصغر من حجم الذرة. تعمل هذه الومضات كغالق فائق السرعة: فهي تجمد حركة الإلكترونات، مما يتيح رؤية كيف تقفز بين المدارات أو تشارك في تفاعل كيميائي. حتى الآن، كانت مشكلة هذه "الغواقل" هي الضوء الضعيف.

الضوء الصادر من مصباح أو حتى من ليزر عادي يشبه حشدًا عند مخرج مترو الأنفاق: الناس يسيرون بشكل غير منتظم، تارة كثيفًا وتارة خفيفًا. يطلق الفيزيائيون على هذا السلوك اسم الضوضاء الحبيبية (shot noise) — وهي تقلبات عشوائية في عدد الجسيمات القادمة في الثانية.

ورقة من الورق لا تزن شيئًا تقريبًا، لكن إذا كوّمت مئة ورقة في كومة، ستحصل على حزمة ملموسة. هذا ما فعلوه تقريبًا مع مادة تجيد تحويل لون ضوء إلى آخر، لكن فقط عندما تكون بسماكة ذرة واحدة. طبقة واحدة مثل ورقة واحدة: تعمل بشكل جميل، لكنها رقيقة جدًا بحيث لا تعطي الكثير من الضوء. أخذ العلماء ثنائي كبريتيد الموليبدينوم — وهي مادة تشتهر في شكل أحادي الطبقة باستجابة لاخطية قوية.

شعاع ليزر يضرب ذرة، فينطلق الإلكترون من مكانه. يتسارع، ثم يعود، وعند اصطدامه بالذرة يصدر ومضة ضوء — توافقية (harmonic). إذا كان هناك شعاعان متقاطعان كملتقى طرق، يمكن للإلكترون أن يختار مسارات مختلفة. في التجربة الجديدة، كان للشعاعين قوة متقاربة واتجاها متعامدًا. عندها تصبح مسارات الإلكترون ثنائية الأبعاد، ويصبح تداخلها مرئيًا.

يضرب الليزر البلورة، فتردّ بومضات ضوئية، تمامًا كما يرنّ الجرس عند ضربه. لكن إذا كان الجرس دافئًا، فإن صوته يهتز ويخفت. وهكذا هنا: ذرات البلورة تهتز باستمرار بسبب الحرارة، وهذا الاهتزاز يمنع الإلكترونات من التحرك بانتظام، لذا يصبح الضوء باهتًا ومشوشًا. أخذ العلماء بلورة Re6Se8Cl2، وهي مادة تتجمع فيها الذرات في كتل كبيرة تشبه مكعبات البناء. قاموا بتبريدها وراقبوا كيف يتغير سطوع الضوء المنبعث.

الضوء في الألياف البصرية هو تدفق من الفوتونات، وللاتصالات الكمومية نحتاج فوتونات مفردة يمكن إرسالها واحدًا تلو الآخر. لكن جعلها تنطلق بسرعة وتكون في نفس الوقت غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض مهمة صعبة. في العمل الجديد، أخذ الفيزيائيون نقطة كمومية شبه موصلة - بلورة صغيرة تعمل كمصيدة للإلكترونات - ووضعوها في مرنان دقيق.

شعاع الليزر، عند مروره عبر بلورة غير خطية قادرة على مضاعفة تردد الضوء (محولة، مثلاً، الأحمر إلى الأزرق)، ينتقل تلقائيًا إلى حالة «قطة شرودنغر» — تراكبًا كموميًا لحالتين قابلتين للتمييز عيانيًا. إرفين شرودنغر اقترح هذه المفارقة في الأصل لذرة منفردة، لكن الفيزيائيين الآن يرصدونها لتدفق كامل من الفوتونات.

الضوء العادي يشبه حشدًا في ساحة: كل فوتون يتحرك بمفرده، يتصادم ويتفرق. لكن في بعض الأوساط، تبدأ الفوتونات، كقطيع من الكلاب، بالركض معًا — تتجمّع. ابتكر العلماء ليزرًا على ألياف عشوائية، حيث تتجمع جسيمات الضوء في أسراب كثيفة بشكل خاص. هذه الظاهرة تسمى التجمّع الفائق للفوتونات.

جسر ألماسي صغير يهتز بقوة لدرجة أنه يبدأ في "الغناء" على عدة ترددات في آن واحد. سابقًا، كانت هذه الاهتزازات توقف نفسها بنفسها: كلما زاد تأرجح المرنان، زادت صعوبة إضافة الطاقة إليه. وجد الفيزيائيون ثغرة في هذه القاعدة. استخدموا الضوء لتحريك الألماس. يضغط الضوء على الجسر، فيبدأ بالاهتزاز. عادةً، يصل هذا الاهتزاز بسرعة إلى مرحلة الثبات — ولا فائدة من محاولة زيادةه أكثر.

يعمل طرف المغناطيس مثل جسر الغيتار: الوتر المضغوط عند الطرف تمامًا يصدر صوتًا مختلفًا، بمجموعة أغنى من النغمات التوافقية. وهكذا تقريبًا تتصرف الموجات المغناطيسية في شريط رفيع من النيكل والحديد. قاس الفيزيائيون كيف تولد موجات المغنطة التي تجري على طول هذا الشريط موجات بتردد مضاعف وثلاثة أضعاف.

شعاع ليزر يضرب بلورة شفافة، فترد بقوس قزح كامل — من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية غير المرئية. هذه ليست خدعة بالمرايا، بل عمل بلورة غير خطية: فهي قادرة على جمع ترددات الضوء، مثلما يعزف الموسيقي على الوتر ليس النغمة الأساسية فحسب، بل النغمات التوافقية أيضًا.

المصباح العادي ينثر الضوء في كل الاتجاهات، ومن المستحيل التنبؤ بلحظة انطلاق الفوتون التالي. أما التقنيات الكمومية فتحتاج ضوءًا مختلفًا تمامًا — فوتونات مفردة تظهر واحدًا تلو الآخر بدقة، مثل الرسائل التي تخرج من شق صندوق البريد. لقد تعلم الفيزيائيون صنع مثل هذه الفوتونات في الألياف الضوئية — تلك التي تلف المدن بالفعل من أجل الإنترنت.

سحبة حادة على رباط حلزوني ترسل موجة لولبية عبره — تشبيه يساعد على تصور كيف تولّد وميض ليزر فائق القصر في بلورة RhSi ضوءًا ملتويًا فورًا في لولب ثلاثي الأبعاد.

يسقط الضوء على غشاء رقيق، فينشأ فيه فورًا تيار كهربائي. هكذا يعمل زوج من مادتين: ثنائي كبريتيد الموليبدينوم والكوبالت. الأولى شبه موصل (semiconductor)، والثانية مغناطيسية. وبينهما، كما تبيّن، تولد طبقة وسيطة غير مرئية.

عندما يمر الضوء عبر بلورة رقيقة، يمكن أن يغيّر لونه واتجاه اهتزازه. في صفيحة من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم بسماكة مئات الذرات، يتحول شعاع تحت الأحمر إلى شعاع أخضر، ويخضع استقطابه — أي طريقة اهتزاز موجة الضوء — لهندسة البلورة.

قطعة عادية من شبه الموصل تغيّر لون الضوء المار عبرها بشكل ضعيف. وظل الفيزيائيون لعقود يتغلبون على هذا القيد بوضع البلورة في بيئة معقدة، لكن المادة نفسها بقيت كما هي. الآن، جمع الباحثون «ساندويتشًا» من طبقات رقيقة متناوبة من زرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد الألومنيوم-الغاليوم. الضوء الذي يدخل هذه البلورة الطبقية يجعل الإلكترونات تقفز بين الطبقات — ونتيجة لذلك تولد موجة بتردد مضاعف.

عندما يلتقي شعاعان من الضوء داخل بلورة، يمكن أن يولّدا شعاعًا ثالثًا بتردد مختلف. ولكي تكون هذه العملية فعّالة، يجب أن تسير الموجات بتناغم، كشخصين يمشيان جنبًا إلى جنب دون أن يختلف خطاهما. سابقًا، استُخدمت طريقتان تقليديتان لتحقيق ذلك: إما اختيار بلورة بخواص مناسبة، أو تقطيعها إلى طبقات رقيقة. كلتا الطريقتين ابتُكرتا منذ أكثر من ستين عامًا، ولكل منهما قيوده. يقترح مؤلفو الدراسة طريقًا ثالثًا.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.

نبضة ليزر قصيرة تضرب البلورة — فتردّ ليس بصوت واحد، بل بسلسلة كاملة من الترددات، تفصل بينها مسافات متساوية. هكذا يولد مشط ترددي فونوني — وهي ظاهرة يدرسها الفيزيائيون في مادة ذات بنية داخلية غير عادية. في بلورة InMnO₃ السداسية، ترتب الذرات بحيث يشبه أحد أنواع الاهتزازات بوزون هيغز — فهو يمنح «كتلة» للاهتزازات الأخرى، بينما يظل هو نفسه نشطًا بصريًا.

الضوء الصادر من مصباح واحد عادةً ما ينتشر في جميع الاتجاهات، والتقاطه بالتساوي في عدة قنوات يعد لغزاً محيراً. في العمل الجديد، يتم تقسيم الضوء إلى تسعة أشعة متطابقة دون أي عدسة أو مرآة. وبدلاً من ذلك، تُستخدم صفيحة زجاجية ذات مسارات محفورة تعمل كأدلة موجية، ينتشر الضوء عبرها بالطريقة المطلوبة.

الضوء الصادر من مصباح عادي هو تيار من فوتونات منفردة، مثل قطرات من صنبور. لكن هناك ضوءًا تأتي فيه الفوتونات في أزواج، كأنها توأمان يمشيان معًا. هذا الضوء المترابط كان مطلوبًا منذ زمن لقياس المسافات وتصوير الأجسام المخفية خلف الزوايا. لكن مصادر هذا الضوء كانت إما باهتة جدًا أو ومضاتها قصيرة جدًا بحيث لا تستطيع الكاشفات العادية التقاطها.

ستائر لا تكتفي بتمرير الضوء أو حجبه، بل تغيّر لونه. يسقط الضوء على الأشرطة المائلة، ويخرج جزء من الأشعة بلون مختلف — كما لو أن شعاعًا أبيض، بعد مروره عبر الفتحات، يتحول إلى أخضر. هكذا يعمل السطح الجديد: على غشاء رقيق من نيوبات الليثيوم (مادة قادرة على تحويل الضوء) توجد أشرطة مائلة من ثاني أكسيد التيتانيوم.

وتر الغيتار، إذا نُقر بقوة، لا يصدر نغمة واحدة بل عدة نغمات في آنٍ واحد — النغمة الأساسية والنغمات التوافقية (overtones).

إذا ضربت ذرة بليزر قوي، يخرج الإلكترون منها مثل كرة مضرب، ثم يعود إليها. عند عودته، يطلق الطاقة المتراكمة على شكل وميض ضوئي. عادةً ما تكون طاقة هذا الوميض محدودة: فالإلكترون لا يملك وقتًا كافيًا للتسارع إلا قليلًا. الآن، أضاف الفيزيائيون إلى الليزر مجالًا تيراهرتزيًا ضعيفًا — مثل رياح خفيفة مواتية. اتضح أنه حتى الرياح الخفيفة يمكن أن تجعل الإلكترون يطير حول الذرة عدة دورات قبل أن يعود.

شعاع مصباح يدوي في الضباب يرسم مخروطًا، لكنه لا يستطيع نحت تمثال من سحابة. أما الهولوغرام فهو كالاستنسل للضوء: يعرف مسبقًا أين يتجمّع في نقاط مضيئة وأين يبقى ظلًّا. الآن هذا الاستنسل يجعل الراتنج السائل يتصلّب في كامل الحجم دفعة واحدة، دون طباعة طبقةً بطبقة. المشكلة أن الضوء في الراتنج يتشتّت، والتفاعل الكيميائي للتصلّب ينتشر كقطرة حبر على ورق مبلول.