كربيد السيليكون

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.

معدن مكوّن من خمس ذرات مختلفة، مثل حساء تطفو فيه قطع الجزر والبازلاء والبطاطس والبصل واللحم. كل قطعة هي عنصر خاص بها: الكروم والفاناديوم والتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم. تسمى هذه السبيكة عالية الإنتروبيا: لا يوجد فيها نظام بلوري واحد، والذرات مختلطة بشكل شبه عشوائي. عادةً ما تكون المغناطيسية والموصلية الفائقة في عداء.

داخل سندان ألماسي يضغط العينة بقوة تفوق الضغط الجوي بملايين المرات، يلتقي غشاء رقيق من اللانثانوم بالهيدروجين. يأتي الهيدروجين من أمين البوران (ammonia-borane) — مسحوق يُطلق هيدروجينه عند التسخين، مثلما تُطلق الإسفنجة الماء. خلال دقائق من التسخين بالليزر، يولد غشاء هيدريد اللانثانوم — مادة توصل الكهرباء دون مقاومة عند سالب 26 درجة مئوية.

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.

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.

شريحة رقيقة من السيراميك، مثل غشاء الصابون، يجري فيها التيار دون أدنى مقاومة. هكذا تبدو الموصلية الفائقة التي أمكن تحقيقها في النيكلات، وهي أقرباء للموصلات الفائقة النحاسية الشهيرة. عادةً، كان يتطلب ذلك ضغطًا هائلًا يعادل الضغط في قاع المحيط. لكن العلماء الآن وجدوا طريقًا ملتويًا: لقد زرعوا الغشاء على ركيزة بلورية تضغطه بقوة مقدارها 2.14%.

سرعة 7,5 كيلومتر في الثانية هي الحد الفاصل الذي بعده يحول التصادم الكوني حبيبات الغبار إلى مفاعل كيميائي. في الوسط بين النجمي (interstellar medium) تتطاير حبيبات غبار غبار كوني (cosmic dust) صغيرة – إرث النجوم المحتضرة.

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.

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.

المشتري الفائق الشاب TWA5B — كرة ملتهبة كتلتها 25 كتلة مشترية — تطفو على بعد حوالي خمسين سنة ضوئية منا. توهجه تحت الأحمر الخافت أخفى طويلاً تركيبته الكيميائية. الآن، سجل التحليل الطيفي عالي الاستبانة التحليل الطيفي باستخدام CRIRES+ الأثر الشبح لـ SiO — أول أكسيد السيليكون.

ورقتان أبيضتان تحت الشمس — إحداهما خشنة والأخرى ناعمة. أيتهما ستسخن أقل؟ الورقة الخشنة تشتت الضوء بقوة أكبر، ويبدو أنها ستبقى أبرد. لكن إذا كان الطلاء مكونًا من العديد من الكرات الزجاجية الشفافة، يتغير المنطق. فالضوء يتجول فيها كما في ضباب كثيف، وفي لحظة ما يتوقف عن ملاحظة القطرات الفردية.

شطيرة، حيث بدل الخبز طبقات من أكسيد النحاس، وبينها طبقة رقيقة من أيونات السترونشيوم. هذا هو الكوبرات ذو الطبقات اللانهائية، أبسط أنواع السيراميك فائق التوصيل، الذي ابتُكر قبل ما يقرب من 40 عامًا. فيه كل ما يلزم للموصلية الفائقة: شبكات مربعة منتظمة من النحاس والأكسجين، تفصلها ذرات فاصلة.

كعكة طبقية من مستويات ذرية من النيكل والأكسجين — هكذا تُبنى النيكلات ثنائية الطبقة. فيها يفصل بين مستويين من هذا القبيل طبقة فاصلة. إذا جلست ذرة أكسجين في هذه الطبقة الفاصلة، فإنها تعمل كجسر: تربط الطبقات وتطلق حالة تتحرك فيها الإلكترونات دون مقاومة. أما إذا غاب الأكسجين، ينهار الجسر، وتظهر في المادة تموجات مغناطيسية — موجات كثافة السبين.

كربيد السيليكون مادة تُصنع منها دروع الإلكترونيات. إنه يتحمل الحرارة والصدمات والإشعاع، مثل البلاط الخزفي على الجزء السفلي من المركبة الفضائية. ولكن حتى هذا الدرع له نقطة ضعف: فالتلامسات المعدنية العادية تتلف بسرعة تحت الأشعة السينية. في العمل الجديد، استُبدل التلامس بطبقة من الغرافين — وهي طبقة كربونية بسماكة ذرة واحدة.

أرضية فسيفسائية من بلاطات صغيرة كثيرة، كل منها ملتوية في اتجاه مختلف. يبدو أن أي نمط يحاول عبور هذه الأرضية لا بد أن يضطرب ويختفي. هكذا يُفكر عادةً في الاضطراب داخل البلورات: إذا لم تترتب الذرات في شبكة مثالية، فإن التأثيرات الكمومية الدقيقة يجب أن تتدمر.

حشد في شارع ضيق يتحرك ببطء لأن الناس يتصادمون ببعضهم البعض. في السيليكون، تنتقل الحرارة عبر «تصادمات» مشابهة — اهتزازات ذرية تُسمى الفونونات (phonons). إذا قُطعت ثقوب صغيرة في غشاء السيليكون، ستصطدم الفونونات بها كما يصطدم المشاة بالأعمدة، وسيصبح انتقال الحرارة أضعف.

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.

في مجال مغناطيسي قوي، تتحرك الإلكترونات في غشاء معدني رقيق في مدارات دائرية. إذا كانت سماكة الغشاء مماثلة لحجم مثل هذا المدار، تبدأ المقاومة في التذبذب — وهذه هي تذبذبات زوندهايمر، المعروفة منذ منتصف القرن الماضي كتأثير هندسي بحت. يُظهر البحث الجديد أن التصحيحات الكمومية المرتبطة بطوبولوجيا النطاقات الإلكترونية تغير تردد هذه التذبذبات.

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.

الموصلية الفائقة هي أن يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. عادةً ما تظهر في درجات حرارة منخفضة جدًا، لكن هناك مواد تظهر فيها عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق إلى ذلك هو ما يسمى بالنطاقات المسطحة: مناطق في الطيف الطاقي حيث تكاد الإلكترونات لا تتحرك، لكنها تتفاعل بشدة مع بعضها البعض.

قطعة معدنية تُسخَّن من أحد طرفيها تولّد تيارًا كهربائيًا ضعيفًا — وهذا معروف منذ ما يقرب من مائتي عام. لكن ماذا لو استخدمنا بدل المعدن البسيط «شطيرة» متعددة الطبقات: موصل فائق، وعازل رقيق، وطبقة مسطّحة من الإلكترونات؟ عبر هذا الانتقال، تتسرّب الإلكترونات عبر النفق الكمومي، مثلما يتسرّب الماء عبر جدار مسامي، وفي الوقت نفسه تنقل الحرارة.

غالبًا ما تُبنى الدوائر فائقة التوصيل على وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) — وهي أماكن يتدفق فيها التيار دون مقاومة عبر حاجز رقيق. عادةً ما يكون هذا الحاجز طبقة أكسيد، لكن من الصعب التحكم في خصائصها على المستوى النانوي. في العمل الجديد، يصبح الحاجز طبقة رقيقة من نيتريد النيوبيوم أو التيتانيوم، محصورة بين طبقات من النيوبيوم.

تُسخَّن قطعة من سبيكة الألمنيوم، فتروي بهدوء قصة متانتها. كل المطلوب هو الإنصات إلى هذه الرواية في طريقة امتصاص المعدن للحرارة. الطريقة المعتادة لمعرفة مدى متانة السبيكة هي شدّها حتى التمزق. وهذا يستغرق وقتًا طويلًا ويدمر العينة. أما في الدراسة الجديدة فسلكوا مسارًا مختلفًا: سجّلوا كيف تمتص السبيكة الحرارة أثناء التسخين، ثم سلّموا هذه التسجيلات إلى برنامج حاسوبي.

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.

الضوء الذي يقطع نحونا ما يقرب من 14 مليار سنة هو كصورة قديمة تظهر تفاصيلها عند معالجتها بعناية. إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (وهو التوهج المتبقي من الانفجار العظيم) يحمل بصمة اللحظات الأولى للكون، لكن إشارته ضعيفة ومشوهة. لرؤية الأنماط الدقيقة للاستقطاب — أي اتجاه اهتزاز موجة الضوء — نحتاج إلى أجهزة فائقة الحساسية.

ترانزستور القدرة المصنوع من كربيد السيليكون يعمل تحت جهد أعلى بآلاف المرات من جهد المقبس المنزلي. إذا توزع المجال داخله بشكل غير متساوٍ، فقد يحترق الجهاز. في السابق لم يكن بالإمكان رؤية هذا المجال: فهو قوي جدًا بالنسبة للمستشعرات العادية، ويجب أن يظل الجهاز تحت الجهد أثناء القياس. الآن تم العثور في البلورة على جاسوس صغير — عيب يتوهج استجابةً للمجال.

الإلكتروليت الصلب مثل إسفنجة لأيونات الليثيوم. في البطارية العادية، تسبح الأيونات في سائل كما تسبح الأسماك في حوض. أما في بطارية الحالة الصلبة، فعليها أن تشق طريقها عبر الشبكة البلورية، كما لو كانت تمر عبر ممرات ضيقة. كلما زادت الأماكن الفارغة في الشبكة، زادت سرعة وصول الأيونات من قطب إلى آخر. النيوترونات تصنع هذه الأماكن الفارغة.

أصبحت الرقائق داخل الهواتف الذكية والحواسيب أكثر كثافة: مليارات الترانزستورات معبأة على قطعة سيليكون بحجم الظفر. وعند عملها، تطلق حرارة كأنها أفران صغيرة. إذا لم تُصرَّف هذه الحرارة، يسخن الشريح ويبدأ في الأعطال أو يتلف. يبحث المهندسون عن مواد يمكن وضعها فوق الدائرة بطبقة رقيقة لتصريف الحرارة دون إعاقة الإشارات الكهربائية.

على سطح ملح الطعام العادي، تنمو حلقة من ذرات الكربون — مثل سوار يُجمع حلقةً حلقة. لكن الحلقات هنا ليست معدنية بل كربونية، ولا يصل بينها صائغ، بل طرف مجهر ماسح. تعلم الفيزيائيون نسج مثل هذه الأساور بطول يصل إلى 88 ذرة، واختبار كيفية تمريرها للكهرباء. كل حلقة هي جزيء حلقي الكربون (cyclocarbon). ليس له فروع جانبية، فقط سلسلة مغلقة من الذرات.

فيلم رقيق من النيوبيوم والقصدير يوصل التيار دون مقاومة ما لم يُجعل رقيقًا جدًا. عندها يتحول فجأة إلى عازل. قامت مجموعة من الفيزيائيين باختبار ماذا يحدث إذا أُضيف إلى الفيلم قليل من القصدير أكثر مما تتطلبه الصيغة. تمت زراعة الأغشية بالرش على ركيزة من السيليكون — تشبه إلى حد ما الطلاء بالرش، لكن بالذرات. في الأغشية ذات القصدير الزائد، كانت حبيبات البلورات أدق، وحدودها أكثر وضوحًا.

الحاسوب الكمومي يشبه آلة موسيقية: حتى الخدش الصغير على الوتر يفسد الصوت. بدلاً من الأوتار، لدينا رنانات فائقة التوصيل، وهي مسارات رفيعة من نيتريد التيتانيوم على رقاقة سيليكون. يجب أن تخزن المعلومات الكمومية، لكن أي تفاوت أو ذرة زائدة على السطح تستهلك الطاقة، مثلما يخمد الشق في الجرس رنينه.

عندما يسقط الضوء على مادة شبه موصلة، يمكن أن يطرد إلكترونًا تاركًا خلفه فجوة. ينجذب الإلكترون والفجوة لبعضهما ويشكلان زوجًا يسمى الإكسيتون. يمكن لهذا الزوج أن يعيد إصدار الضوء، لكن ليس فورًا: أولاً يتبادل الطاقة مع اهتزازات الشبكة البلورية - الفونونات.

الهيدروجين وقود نظيف: عند احتراقه لا ينتج سوى الماء. ولكن لاستخراجه من الماء، يجب كسر الرابطة القوية بين الهيدروجين والأكسجين. عادةً ما يتم ذلك باستخدام البلاتين، وهو معدن باهظ الثمن. ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) — معدن رخيص يشبه الجرافيت — يمكن أن يحل محل البلاتين إذا تم تحضيره بشكل صحيح.

البت الكمومي يشبه قمة دوارة يجب أن تدور لفترة طويلة دون أن تتمايل. في الجرمانيوم، تعلمنا كيفية إطلاق مثل هذه القمم، لكن الأرضية من حولها تهتز دائمًا: التداخلات الكهربائية تعطل الدوران. لجعل الأرضية أكثر استواءً، عادةً ما تُوضع طبقة سميكة من السيليكون-الجرمانيوم في الأعلى، وهي مثل سجادة تخفف الخطوات.

الموصل الفائق العادي والمجال المغناطيسي مثل الماء والنار: فالمجال يكسر أزواج الإلكترونات التي تنقل التيار دون مقاومة. ولكن بدلاً من فيلم متصل، إذا استخدمنا حبيبات ألومنيوم دقيقة متناثرة، كل منها مغطاة بطبقة رقيقة من الأكسيد، يتغير الوضع. هذه الحبيبات، المترسبة على رقاقة من الجرمانيوم والسيليكون، تتحمل مجالاً موجهاً على طول السطح وعرضه.

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.

الإلكترونيات تسخن. كلما كان المعالج أقوى، زادت الحرارة التي يجب تصريفها، وإلا تعطل. أحد المواضع الحرجة هو الحدود بين مادتين: تصطدم الحرارة بها كما تصطدم بالشق بين البلاطات، فتبطئ. صنع العلماء وصلة بين نيتريد الألومنيوم وكربيد السيليكون شبه مثالية الاستواء، دون أي فراغ. تمر الحرارة عبرها دون خسائر تقريبًا.

يسقط ضوء الشمس على السطح، وتولد الإلكترونات في الغشاء الرقيق. يجب أن تصل إلى الأسلاك قبل أن تبرد وتفقد طاقتها. في كبريتيد القصدير — مادة رخيصة ومتاحة للبطاريات — تم تصوير هذا الجري والتبريد بدقة غير مسبوقة: اللقطات تتبع بعضها البعض كل جزء من مليار من مليار جزء من الثانية. نبضة الليزر تقذف الإلكترونات، مثل ضربة عصا البلياردو التي تسرع الكرات.