ركيزة سيليكون

تتساقط قطرة من فوهة الصنبور، ويتبعها خيط رفيع. في اللحظة الأخيرة، لا ينقطع الخيط في موضع واحد بل في موضعين في آنٍ واحد، فيعلق بينهما كرة صغيرة، وهي القطرة التابعة. هذا "الحطام" من القطرات الجانبية يسد رؤوس الطباعة، ويتلف الرقائق الدقيقة، ويخل بدقة جرعات الأدوية. حتى الآن، كانت مكافحة هذه الآفة تتم إما بإلكترونيات معقدة تضبط شكل النبضة، أو بإضافات تجعل السائل أكثر لزوجة.

يمكن جعل الضوء ينحني عند الأمر، مثل الماء في خرطوم — إذا عرفت أين تضغط. هذا بالضبط ما تفعله الدوائر الكهروضوئية: تغيّر اتجاه الشعاع داخل الرقاقة بواسطة مجال كهربائي. المادة التقليدية لمثل هذه الحيل هي نوبات الليثيوم، وهي بلورة تستجيب للجهد كما يستجيب الوتر للنتفة. لكن حتى الآن كان لا بد من تقطيعها إلى أغشية رقيقة جدًا ولصقها على ركائز أخرى — مكلف ومتقلب.

قطرة ماء على زجاج ترتجف وتتلألأ، وكأنها تعيش حياتها الخاصة. سلوك مشابه يمكن الآن رؤيته في عالم الغرويات (colloids) — جسيمات مجهرية معلقة في سائل. الباحثون صمموا على الحاسوب جسيمات تطلق إشارات كيميائية. هذه الإشارات، مثل الروائح في الهواء، تنتشر حولها وتجعل الجيران إما يقتربون أو يبتعدون.

ورقتان شفافتان مرسوم عليهما دوائر. إذا طُبقتا تمامًا، تتطابق الدوائر. لكن بمجرد إمالة إحداهما قليلًا، يظهر نمط جديد: في بعض الأماكن تتزاحم الدوائر، وفي أخرى تتباعد. هكذا تقريبًا يعمل الموار (moiré) — نمط غير متوقع ينشأ من تدوير بنيتين دوريتين. في هذا العمل، طبق العلماء الفكرة نفسها على الصوت، وبالتحديد على مجال سرعة الجسيمات الصوتية فوق سطح مثقوب.

تخيل قشرة متعددة الطبقات، حيث تتناوب طبقات المعدن والعازل مثل صفحات كتاب. هذه البنية قادرة على جعل الجسم المخفي بداخلها غير مرئي للراصد. يلتف الضوء حولها كما ينساب الماء بسلاسة حول حجر أملس: لا تموج ولا دفقة، لا انعكاس ولا ظل.

تبدو ورقة عادية بيضاء لأنها تشتت كل الأشعة بشكل عشوائي. أما جناح الفراشة فيتلألأ بالأزرق والأخضر دون قطرة صبغة واحدة — فسطحه مغطى بأخاديد مجهرية تطفئ بعض موجات الضوء وتضخّم أخرى. لطالما حلم المهندسون بتكرار هذه الحيلة: صنع مادة تلون نفسها بنفسها، فقط بحبس الضوء في الأماكن المناسبة. في العمل الجديد، صنع العلماء حفرًا صغيرة في رقاقة سيليكون.

يمكن إطلاق صوت في بلورة بتردد عالٍ لدرجة أن الأذن البشرية لا تسمعه، وجعل هذا الصوت يدور في حلقة مثل قطار على طريق دائري. أخذ المهندسون طبقة رقيقة من نيتريد السيليكون، ووضعوها على ركيزة من نوبات الليثيوم، وقطعوا فيها مسارات للموجات الصوتية. النتيجة رقاقة صوتية بحجم الظفر، تتحرك فيها موجات بتردد حوالي مليار اهتزازة في الثانية دون خسائر تذكر.

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.

مقياس حرارة المطبخ العادي يُظهر درجة الحرارة التي يفقد عندها الزئبق مقاومته للكهرباء. بالنسبة للموصلات الفائقة التي تُصنع منها أجهزة الكمبيوتر الكمومية، درجة الحرارة الحرجة هي بمثابة جواز سفر الجودة: كلما ارتفعت، كان ذلك أفضل. التنتالوم في شكل ألفا هو المتفوق، بينما كان يُعتبر توأمه بيتا متخلفًا. ولكن، كما اتضح، المتخلف أيضًا يعرف كيف يحل المسائل.

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.

البزموت ثنائي الأبعاد على ركيزة سيليكونية مادة واعدة لإلكترونيات المستقبل. حوافه توصل التيار دون خسائر، مثل طريق سريع بلا إشارات مرور. لكن البزموت نفسه حساس: فالهواء والرطوبة يفسدان خصائصه بسرعة. وجد الكيميائيون حلاً: وضعوا البزموت تحت طبقة من الغرافين، وهي غشاء كربوني قوي بسماكة ذرة واحدة.

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.

السيليكون مثل لبنة بناء عالمية: منه تُصنع الرقائق في الهواتف والألواح الشمسية والليزر. ولكن إذا تم ضغطه بقوة هائلة، فإن الذرات تعيد ترتيب نفسها في أنماط جديدة — تُعرف هذه الأشكال باسم المتآصلات (allotropes). أحدها، Si-XIII، لوحظ لأول مرة منذ أكثر من عشرين عامًا، لكن نمطه الدقيق ظل لغزًا. عرف العلماء بوجوده، لكنهم لم يستطيعوا فهم كيفية ترتيب الذرات بالضبط.

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.

النجم الفتي PDS 66 محاط بقرص مسطح من الغاز والغبار — مهد الكواكب المستقبلية. في الأجزاء الخارجية الباردة من هذا القرص، عادةً ما يكون السيليكون والكبريت مختبئين في حبيبات الغبار، لكن علماء الفلك لاحظوا بقعة غازية ساطعة على مسافة حوالي 60 وحدة فلكية من النجم. هذا مثل العثور على بخار دافئ فوق جرف ثلجي: شيء ما سخّن الجليد وأطلق الجزيئات إلى الخارج.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف بتناغم تام. إذا أخطأ أي آلة، تنهار اللحن. في هذا التشبيه، تلعب البتات الكمومية فائقة التوصيل دور العازفين، و«خطؤها» هو فقدان الترابط الكمومي. لطالما بحث العلماء عن مصدر الاضطرابات، وأحد الأسباب مختبئ في المادة نفسها التي صنع منها البت الكمومي.

الحشية المطاطية العادية تخمد الاهتزاز مثلما تخفف البطانية السميكة الصوت: كلما كانت أكثر سماكة ووزنًا، كان ذلك أفضل. لطالما حلم المهندسون بمادة تكون خفيفة، لكنها في الوقت نفسه "تبتلع" الاهتزازات بما لا يقل عن مخمد ضخم. في العمل الجديد، تمكنوا من تجميع مثل هذه المادة من جزأين مختلفين: شبكة مرنة ناعمة مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقطرات صغيرة من معدن سائل مخبأة بداخلها.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يجب أن يضبط آلاته قبل كل مقطوعة. الضبط يستغرق وقتًا ويتطلب هدوءًا — في حالتنا، برودة شديدة. بالنسبة لرقائق السيليكون التي تحتوي على ذرات البورون، يتم هذا الضبط عادةً باستخدام الموجات الميكروية، ببطء وفقط عند درجات حرارة أقل من 2 كلفن (271 درجة مئوية تحت الصفر).

قطرة قهوة على الطاولة تجف وتترك حلقة — جزيئات القهوة تتجمع عند الحافة. أما إذا كانت الجسيمات النانوية المشحونة تسبح في القطرة، تصبح الصورة أغنى: الرواسب تتشقق مثل الطين في بركة جفت. درس الفيزيائيون كيف تغير شحنة الجسيمات والسطح الذي تجف عليه القطرة هذه التشققات. في التجارب، استخدموا نوعين من جسيمات السيليكا النانوية: أحدهما سالب الشحنة والآخر موجب الشحنة.

رقاقة السيليكون تشبه عجينة البسكويت. تسخنها في الفرن، فتظهر في العمق زبيبات صغيرة — عيوب في الشبكة البلورية قادرة على إصدار فوتونات مفردة. تُسمى هذه «الزبيبات» مراكز الألوان، وهي ضرورية للحواسيب الكمومية والاتصالات الآمنة. درس مؤلفو العمل كيف تتولد هذه العيوب تحديدًا أثناء تلدين السيليكون.

يسعى الضوء عادةً إلى الانتشار في كل الاتجاهات، مثل رذاذ الماء المتطاير عند رمي حجر. لكن يمكن الإمساك به في قفص غير مرئي، حيث يدور في مكانه تقريبًا دون أن يفقد طاقته. هذا القفص بالضبط هو ما بناه الفيزيائيون، آخذين المادة المغناطيسية CrSBr — وهي بلورة طبقية يمكن شقها إلى صفائح بسماكة بضع ذرات.

عندما يمر الضوء عبر زجاج النافذة، فإنه ينكسر بنفس الطريقة في جميع الاتجاهات. لكن في البلورات الطبقية الرقيقة، الأمر مختلف: فالضوء الذي يسير على طول الطبقات يرى المادة بشكل مختلف عن الضوء الذي يسير عبرها. الأمر أشبه بورقة شفافة تسمح بمرور الضوء بشكل مختلف إذا كان موجهاً على طول الألياف أو عبرها.

يمكن حبس الضوء في مصيدة أصغر من ذرة غبار. البلورات الضوئية (photonic crystals) هي شبكات تمنع الضوء من التشتت وتجبره على الدوران في حلقة. سابقًا، كانت هذه البنى تُزرع على ركيزة ضخمة، وكانت ضخمة جدًا بحيث لا تصلح للخلايا الحية. الآن وجد الباحثون الحد الأدنى: عدد صفوف الشبكة اللازمة ليعمل الليزر، وصنعوا جسيمات تنفصل عن الركيزة وتطفو بحرية. كل جسيم هو شكل سداسي طول ضلعه أقل من سمك شعرة الإنسان.

يتصرف الهيليوم على الغرافيت مثل بهلوان ينزلق على حبل مشدود ويحافظ في الوقت نفسه على شكله. عند درجات حرارة تبلغ 30 ميلي كلفن (أي أبرد بمئة مرة من الفضاء الخارجي)، اكتسبت الطبقة الثانية من الهيليوم على الغرافيت خصائص جديدة: أصبحت تتدفق دون احتكاك، وفي الوقت نفسه تقاوم الانضغاط مثل العسل الكثيف.

في أعماق مختبر تحت الأرض، ينتظر كاشف بحجم غرفة حدثاً قد يقع مرة كل مئة مليار مليار سنة. إنه اضمحلال بيتا المزدوج من دون نيوترينوات — عملية من شأنها أن تنتهك أحد القوانين الأساسية في الفيزياء. وللإمساك به، نحتاج إلى صمت تام: لا ذرة مشعة زائدة واحدة في مواد الكاشف.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا لا تعزف إلا في صمت تام. أي ضجيج بسيط يفتت اللحن الهش. بالنسبة للأجهزة الكمومية، الحرارة هي هذا الضجيج: حتى الإشعاع تحت الأحمر الضعيف القادم من المكونات المجاورة يسخن الكيوبتات ويمحو حالاتها الكمومية. نحتاج إلى مرشح يمرر إشارات التحكم ويخمد الأشعة الحرارية. اقترح العلماء مادة من راتنج الإيبوكسي تحتوي على كرات ياقوتية صغيرة.

شعاع الليزر عادة يشبه عمودًا مستقيمًا من الضوء. لكن إذا مررناه عبر رقاقة بنمط أدق من الشعرة، يتفكك الشعاع إلى آلاف الجيوب الضوئية الصغيرة. في كل جيب يمكن تعليق ذرة واحدة، مثل حبة بازلاء في حفرة. هذه الجيوب ضرورية للحواسيب الكمومية والساعات فائقة الدقة، حيث يجب أن تعلق الذرات بلا حراك ولا تزعج بعضها البعض. مؤلفو العمل صنعوا هذه الرقاقة من السيليكون البلوري على ركيزة من الياقوت (السفير).

قطعتان من الجرافيت تحتكان ببعضهما، فإذا بالمقاومة تختفي وكأن غشاءً غير مرئيًا من الزيت يفصل بينهما. في السابق، لم نرَ هذا إلا تحت المجهر، على بقع تلامس متناهية الصغر. الآن، ضغط العلماء بين طبقتين من الجرافيت على مساحة تبلغ أجزاء من المليمتر وضغطوا عليها بقوة تصل إلى نصف نيوتن — كما لو وضعوا عليها تفاحة صغيرة. لم يزد الاحتكاك، بل انخفض إلى قيم تكاد الأجهزة لا تلتقطها.

يُشبه مفاعل الاندماج النووي مرجلًا عملاقًا يُطهى فيه الهيليوم من الهيدروجين. تصل حرارة البلازما فيه إلى 150 مليون درجة، أي أكثر سخونةً من نواة الشمس بعشر مرات. لكن، كما في أي مرجل، تتكون هنا ترسبات: شوائب ضارة تتراكم على الجدران وتُخمد البلازما. اقترح الفيزيائيون صنع الجدران من مادة إسفنجية تمتص الشوائب وتمنعها من العودة إلى الوقود.

لكي تعمل الكيوبتات المعتمدة على الإلكترونات دون أعطال، تحتاج إلى ركيزة بنعومة لا تشوبها شائبة — كمرآة لا تشوّه الانعكاس. يُنمّى النيون الصلب لهذا الدور عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وتُفحص جودته بمرنانات الميكروويف: إنها تمسح الغشاء ضوئياً ملتقطةً أدق العيوب عبر إزاحة التردد — وهذه الطريقة قريبة من المطيافية.