شبه موصل

طبقة رقيقة من زرنيخيد الإنديوم مخبأة تحت غشاء فائق التوصيل، كصوت تحت ضجيج حشد. التيار في مثل هذا الهجين يختار المسار الأقل مقاومة، فيتدفق معظمه عبر المعدن، لذا يظل أشباه الموصلات غير مسموع للأجهزة التقليدية. لكن عند تشغيل مجال مغناطيسي قوي، تستيقظ في الطبقة المخفية تذبذبات كمومية، وهي تموجات دورية في المقاومة تشبه التنفس الإيقاعي. وهذا الهمس هو ما أمكن التقاطه.

في غرفة هادئة لا يوجد فيها أي مغناطيس، لا يزال إلكترونان في مصيدة سيليكونية يشعران بارتعاش خفيف. هذا الارتعاش تخلقه نوى ذرات السيليكون والجرمانيوم، التي تدور بشكل عشوائي مثل إبر البوصلات المكسورة. في الماضي، كان يُعتبر هذا الارتعاش عائقًا، لكنه الآن أصبح أداة قياس بحد ذاته. قام فيزيائيون من مختبرات HRL بتصنيع جهاز يحتوي على ست نقاط كمومية، لكنهم استخدموا نقطتين فقط، تُعرفان بـ P5 وP6.

غشاء بلاستيكي بسمك شعرة الإنسان يحتوي على نقاط بلاتين أصغر من جزء من مليون من المليمتر — تُعرف بالجسيمات النانوية. توجد هذه النقاط عند الحدود بين طبقتين من الترانزستور وتعمل كمصائد للشحنة الكهربائية: مثل الإسفنج الذي يمتص الماء، تلتقط هذه النقاط الإلكترونات وتحتفظ بها. عندما تتراكم الشحنة، يغير الترانزستور مقاومته — ويتذكر هذه الحالة.

الموصل الفائق هو مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان، تمامًا كالماء الجاري في أنبوب أملس تمامًا. في الموصلات الفائقة النحاسية، المعروفة باسم الكوبرات (cuprates)، تعمل الإضافات الدقيقة من الأكسجين كمقبض للتحكم في الصوت: زيادة طفيفة تجعل المادة تنتقل إلى حالة التوصيل الفائق، ونقصان طفيف يفقدها هذه الخاصية.

الموصل العادي يسخن عند مرور التيار فيه — جزء من الطاقة يتبدد على شكل حرارة. الموصل الفائق يخلو من هذا العيب: التيار الكهربائي يتدفق فيه دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. المشكلة أن معظم الموصلات الفائقة تعمل إما في درجات حرارة منخفضة للغاية أو عند ضغوط هائلة تضاهي الظروف في باطن الكواكب. يسعى الكيميائيون منذ زمن طويل إلى إيجاد مواد تكفيها ظروف معتدلة.

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.

تخيل حلبة رقص شبه فارغة، حيث يتحرك الرواد النادرون كلٌّ على حدة — بشكل عشوائي دون ارتباط ببعضهم. ولكن بمجرد تشغيل موسيقى معينة وتبريد القاعة قليلًا، يصطف الراقصون فجأة في سلاسل طويلة ويبدأون في التحرك بتناغم. هذا تقريبًا ما تفعله الإلكترونات في غاز ثلاثي الأبعاد مخلخل.

المفتاح ينقر – فيضيء الضوء. لكن تخيل مفتاحًا قد يضيء المصباح أو يترك الغرفة مظلمة بنفس الضغطة. إنه يتذكر أيضًا ما فعله في المرة السابقة، وأحيانًا يبدو وكأنه يقلب عملة معدنية ليقرر ما إذا كان سيضيء الضوء. هذا السلوك لوحظ في بلورة من الفوسفور الأسود – وهو شبه موصل بسماكة بضع طبقات ذرية.

رقاقة دقيقة بحجم الظفر تطلق من الحرارة ما يعادل ما تطلقه مصباح صغير. تبديد هذه الحرارة يشبه محاولة إفراغ كوب من الشاي الساخن بملعقة صغيرة: فالمادة العازلة حول الترانزستورات عادةً ما تكون رديئة التوصيل للحرارة.

الأوركسترا تعزف، لكن قائد الأوركسترا لا يسمع سوى الهمهمة العامة. كل آلة تعزف دورها، ولا يمكن تمييز أين الناي وأين الكمان الجهير. نحتاج إلى محلل طيف — جهاز يفكك الصوت إلى تردداته. في علم الفلك نفس المهمة: الغبار والغاز البينجمي البارد يشعان على موجات مليمترية ودون مليمترية، ولكي نفهم تركيبهما وحركتهما، علينا تفكيك هذا الضوء إلى طيف. الجهاز الجديد SWISS هو مثل هذا المحلل، لكن للضوء.

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.

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.

الموصل الفائق هو مادة تتحد فيها الإلكترونات في أزواج وتتحرك دون مقاومة. في الموصلات الفائقة التقليدية (من النوع s)، تكون هذه الأزواج متماثلة في جميع الاتجاهات — مثل كرة مثالية. لكن هناك أنواعًا أخرى، من النوع d، حيث يشبه الاقتران برسيمًا رباعي الأوراق: في بعض الاتجاهات يكون الارتباط أقوى، وفي أخرى أضعف، وفي نقاط خاصة — العقد — يختفي تمامًا. هذه الموصلات الفائقة هي أساس العديد من المواد عالية الحرارة.

عادةً ما تكون الموصلية الفائقة قصة عن البرد. كلما انخفضت درجة الحرارة، أصبح من الأسهل للإلكترونات أن تقترن في أزواج وتتدفق دون مقاومة. لكن في دراسة جديدة، زرع الفيزيائيون أغشية رقيقة من النيكيلات (nickelates) مع إضافة اليوروبيوم، ورأوا الصورة المعاكسة. عند درجات حرارة أقل من 2.6 كلفن، تصرف العينة كمعدن عادي ذي مقاومة.

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.

مفتاح يعرف بنفسه إلى أين يتدفق. هكذا يعمل صمام جوزيفسون الثنائي (Josephson diode) — جسر فائق التوصيل يمر فيه التيار في اتجاه واحد عن طيب خاطر، بينما يصطدم في الاتجاه الآخر. في العمل الجديد، صُنع هذا الجسر من الغرافين — ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة. ظهر التأثير عندما طُبّق مجال مغناطيسي ضعيف على الجهاز — بضع ميلي تسلا فقط.

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.

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.

يعمل الصمام الثنائي (diode) العادي في الإلكترونيات كطريق باتجاه واحد: يمر التيار في اتجاه واحد فقط. أما في الموصلات الفائقة، حيث تتدفق الكهرباء دون مقاومة، فقد ظل هذا السلوك صعب التحقيق لفترة طويلة — فالتيار عادةً ما يكون متماثلًا. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقة لصنع صمام فائق التوصيل مثالي باستخدام الضوء.

أُديرت طبقتان رقيقتان من أشباه الموصلات بالنسبة لبعضهما بزاوية 2.29 درجة — مثل ورقتين شفافتين عليهما شبكات مرسومة. حيث تتطابق الخطوط تقريبًا، يظهر نمط كبير من البقع الداكنة والفاتحة. تتصرف الإلكترونات في هذا النمط بشكل مختلف تمامًا عن سلوكها في البلورة العادية. عند امتلاء نصف هذه «الشبكة الفائقة» الثانية (بنية منتظمة ذات دورية كبيرة)، تعلق الإلكترونات عادةً: كل إلكترون يخشى أن يحتل مكانًا يجلس فيه جاره بالفعل.

جسر من صفّين من الألواح الخشبية ينحني تحت أقدام المارة — وكل خطوة تتلقى مساعدة من الحركة المرنة للسطح. مبدأ مشابه يكمن وراء الموصلية الفائقة: تنزلق الإلكترونات دون مقاومة لأن الشبكة الذرية تتكيف معها بنفسها. في المواد القائمة على النيكل، لم تكن هذه الصورة تتشكل لفترة طويلة. إضافة الإلكترونات كادت أن تطفئ الموصلية الفائقة بدلاً من تقويتها.

يشبه التيار الكهربائي في السلك حشداً من الناس يسرعون في ممر. عادةً، يصطدم كل شخص بالجدران ويفقد سرعته بشكل شبه فوري — وهذا هو المقاومة الكهربائية. لكن في بعض المواد، كما في مبنى ذي قاعات جانبية، يمكن لحاملات الشحنة أن تدخل لفترات طويلة إلى «جيوب» خاصة (وديان طاقية) أو تحتفظ بالطاقة لفترة طويلة بعد الدفعة. الزمن الذي تقضيه في مثل هذا الجيب، وزمن تبريد الطاقة، قد يتجاوزان بعشرات المرات الزمن بين الاصطدامات.

طبقتان رفيعتان كالورق من مادة شبه موصلة توضعان فوق بعضهما وتُلفان قليلاً — بزاوية تتراوح بين ثلاث وأربع درجات. الشبكات الذرية لا تتطابق، وينشأ نمط كبير — نمط موريه (moiré)، يشبه تموجات لوحين للغسيل مزيحين بزاوية صغيرة. في هذا النمط، تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية.

يترك الضوء أثراً حتى عندما يكون شبه معدوم. الفوتون الواحد — كتلة صغيرة من الطاقة — يسقط على صفيحة سيليكون ويحرّر حفنة من الإلكترونات. المشكلة أن هذه الحفنة صغيرة جداً بحيث لا يمكن ملاحظتها. نحتاج إلى مضخم. عادةً، تُضخَّم الإشارة بتطبيق جهد كهربائي على تلامسات معدنية على سطح الكاشف.

الألماس هو أصلب مادة طبيعية، وعادةً لا يوصل الكهرباء. لكن إذا أضفنا إلى شبكته البلورية بعض الذرات الغريبة، يمكن أن يصبح شبه موصل، مثل السيليكون في رقائق الحاسوب.

قماش يتمدد في اتجاه واحد فقط، وليس في الاتجاه العرضي. هكذا تقريبًا تعمل المادة شبه ديراكية: ففيها يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية في اتجاه واحد، بينما في الاتجاه الآخر لا تكاد تتحرك من مكانها. وبسبب هذا التباين غير المعتاد، تظهر على حواف البلورة ثنائية الأبعاد مسارات خاصة — قنوات أحادية البعد. تجري الإلكترونات على طول هذه القنوات فقط، وكأنها ماء في ميزاب.

ورقة من تيلوريد التنغستن بسمك ذرة واحدة تشبه رقاقة رقيقة: لا تمر الإلكترونات عبرها لأن بين حالاتها الممكنة توجد فجوة طاقة محظورة — مثل خندق لا يمكن القفز فوقه. أضفنا طبقتين إضافيتين — واختفى الخندق، وأصبحت المادة معدنًا، وسار التيار. وعندما زاد عدد الطبقات، تغيرت الخصائص مرة أخرى، وكأن أحدهم يبدل الأوضاع بزر واحد.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

عندما تضغط على مفتاح الإضاءة، لا يضيء الضوء فورًا — تحتاج الإلكترونات في الأسلاك إلى وقت «لتتأرجح» وتنطلق معًا. في المعادن وأشباه الموصلات العادية، يكتسب التيار قوته تدريجيًا، مثل الماء في خرطوم عند فتح الصنبور للتو. لكن في مواد تُسمى أشباه الفلزات ذات الهندسة الكمومية، الأمر مختلف تمامًا: بمجرد تطبيق المجال، تنطلق الإلكترونات وكأنها بأمر «انطلق!» دون أي إحماء.

في قناة رفيعة من أشباه الموصلات، لا تتصرف الإلكترونات كأفراد منفردين، بل كحشد في ساعة الذروة. إنها تتصادم مع بعضها البعض بين الحين والآخر، وهذه التصادمات هي التي تحدد مدى سهولة مرور الحرارة والتيار الكهربائي عبر المادة. عادةً، يسير هذان التدفقان جنبًا إلى جنب: فالمادة الجيدة في توصيل الكهرباء تكون جيدة أيضًا في توصيل الحرارة. تُعرف هذه القاعدة بقانون فيدمان-فرانز (Wiedemann-Franz law).

الموصل الفائق هو مادة تفقد مقاومتها الكهربائية عند التبريد الشديد: يمر التيار فيها دون فقدان. أخذ العلماء بلورة طبقية من PdTe2، تشبه كومة من أوراق، وبرّدوها إلى درجة حرارة أقل من 1.8 كلفن (أي حوالي -271°م). في هذه الظروف يصبح PdTe2 موصلًا فائقًا.

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.

الترانزستور العادي في هاتفك يُصنع داخل غرفة مفرغة، حيث تترسب الذرات طبقة فوق طبقة. مكلف وبطيء. لكن أكسيد الإنديوم يمكن طباعته مثل الحبر — من قطرة معدن سائل تتغطى تلقائيًا بغشاء أكسيد رقيق عند ملامستها الهواء. أخذ الباحثون الإنديوم، صهروه، ولفّوه على ركيزة عند 250 درجة. النتيجة: طبقة متعددة البلورات بسماكة 5 نانومتر فقط — أرق بألف مرة من شعرة الإنسان.

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.

تنمو البلورة في محلول ساخن مثلما تنمو حلوى السكر على عود في شراب سكري. لكن بدل السكر لدينا أكسيد الجرمانيوم، وبدل العود لدينا بذرة صغيرة جداً. بتغيير تركيب المحلول يمكن جعل البلورة تنمو أسرع، أو تغيير شكل أوجهها، أو حتى تحويلها إلى كتلة ملتحمة من بلورات صغيرة متعددة. نمت البلورات من خليط من أكسيد الموليبدينوم وكربونات الليثيوم.

في جزيء مشابه بنيويًا للكلوروفيل ومبني من الكربون، تعمل الذرّة المعدنية المركزية كمفتاح. تحريك هذه الذرّة أجزاءً من النانومتر يسمح بتشغيل أو إخماد أو تضخيم توهّج الجزيء مئات المرات بشكل عكوس.

بلورة الجرمانيوم مع القصدير تشبه فسيفساء، حيث كل قطعة هي ذرة. إذا رُصفت القطع بشكل عشوائي، يكون لون الفسيفساء واحدًا، أما إذا جُمعت في نمط منتظم، فيكون لونها مختلفًا. قام الفيزيائيون بقياس كيف يغيّر نمط الذرات أهم خاصية لشبه الموصل — وهي فجوة النطاق (band gap)، أي الطاقة التي يجب إعطاؤها للإلكترون ليبدأ في الحركة ويولّد تيارًا.

الموصل الفائق هو مادة توصل التيار دون فقدان، لكن فقط عند درجة حرارة منخفضة جدًا. وُضعت فوق هذه المادة طبقة رقيقة من مادة مغناطيسية بسماكة ذرة واحدة. المغناطيسية والموصلية الفائقة عادة لا تتفقان، وكان الفيزيائيون يأملون رؤية شيء غير عادي عند الحدود بين المادتين.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة تشبه شبكة معدنية مرنة تندفع عبرها الإلكترونات دون عوائق تقريبًا. اطوِ ورقتين منها مع إزاحة طفيفة، وستتغير خصائص المادة جذريًا: فقد تصبح عازلًا لا يمرر التيار. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أن هذا التبدل في الأدوار يمكن استدعاؤه بمجالات ضعيفة إذا أُخذ في الاعتبار عدم تماثل ضئيل في ترتيب الذرات.