موصلية فائقة مستحثة بالإجهاد

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. لكن إذا ضغطته قليلاً، مثل الزنبرك، تتغير خصائصه. لطالما أراد العلماء قياس كمية الحرارة التي تمتصها هذه المادة المضغوطة، لكن الأجهزة لم تكن تتسع في الجهاز الضيق. الآن توصلوا إلى طريقة لتجاوز هذه العقبة.

عمال الكهرباء الذين يتعاملون مع الجهد العالي يشبهون الغواصين: يحتاجون إلى رؤية ما يحدث في الأعماق دون النزول بأنفسهم. لهذا يحتاجون إلى مستشعر يبقى بعيدًا عن التيار الخطير وينقل المعلومات إلى السطح. عادةً ما يُستخدم الضوء لهذا الغرض: يمر شعاع عبر بلورة شفافة، ويقوم المجال الكهربائي بتدوير مستوى استقطابه قليلاً—وهذا ما يُعرف بتأثير بوكلز (Pockels effect). لكن لهذه الطريقة نقطة ضعف: فهي حساسة للمجالات الخارجية والضوضاء.

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.

أنبوب الماء: كلما كان أوسع، مرّت كمية أكبر من الماء. وفي التلامسات فائقة التوصيل — وصلات جوزيفسون (جسور يمر عبرها التيار دون مقاومة) — الأمر عادةً كذلك: كلما كانت الموصلية أفضل في الحالة العادية، كان التيار فائق التوصيل المار عبرها أكبر.

في البلورة ثنائية الأبعاد لثنائي سيلينيد التنجستن (WSe₂)، يولّد الضوء الممتص أزواجًا من الشحنات المرتبطة — إلكترون وثقب — مرتبطين بجاذبية كولوم. تُسمى هذه الجسيمات شبه إكسيتونات. ومن بينها تُعرف "الداكنة" — وهي حالات يكون فيها سبين الإلكترون والثقب موجَّهين بحيث يكون إعادة الاتحاد الإشعاعي مكبوتًا بشدة.

بلورة اليورانيوم والزرنيخ (UAs2) تحت الضغط تتصرف كبيت بغرفتين. في إحدى الغرفتين، تجلس الإلكترونات في مكانها، وفي الأخرى تتجول بحرية. في الظروف العادية، هذا هو «كوندو الشبيكي» الكلاسيكي: إلكترونات ثقيلة شبه ساكنة في المدارات 5f5/2 محاطة ببحر من إلكترونات التوصيل السريعة. ينشأ نطاق مسطح — كرفّ لا تكاد توجد فيه سرعة للإلكترونات. وهذا بالضبط ما يُلاحظ في تجارب الانبعاث الضوئي.

عادةً، لا يحوّل الضوء العازل إلى موصل؛ إذ يتطلب ذلك نبضات ليزر قوية تدمر بنية المادة. لكن في الغرافين ثنائي الطبقة الملتوي بالزاوية السحرية غرافين — وهو مادة مكوّنة من طبقتين من شبكة الكربون، تدور إحداهما بالنسبة للأخرى بزاوية خاصة — الأمر مختلف تمامًا.

كعكة طبقية، كل طبقة فيها توصل الكهرباء بطريقتها الخاصة — هكذا تُبنى بلورة La3Ni2O7، مركب من النيكل واللانثانوم والأكسجين. التيار على طول الطبقات يسير بشكل مختلف عن التيار عبرها. الباحثون قاسوا مقاومة هذه المادة بدقة عالية، عاصرين إياها بسندان الألماس حتى ضغوط تصل إلى عشرات الآلاف من الأجواء.

أقراص عسل مملوءة بـ«عسل» الإلكترونات. في الحالة العادية تتحرك الإلكترونات بشكل عشوائي، لكن عند التبريد الشديد قد تتحد في أزواج — وهكذا تولد الموصلية الفائقة. شكل هذه الأزواج، أو تماثل الاقتران، يحدد خصائص المادة: بعضها يرقص الفالس، وبعضها يرقص الفوكستروت.

تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي مثل حشد فوضوي: فتصطدم ببعضها البعض وبعيوب الشبكة البلورية، فتفقد طاقة تظهر كمقاومة كهربائية. أما في الموصل الفائق، فتتحرك الإلكترونات بتناسق، كأزواج في رقصة منسقة، دون أن تصطدم ببعضها. وتتميز هذه الحالة بانخفاض الإنتروبيا — وهو مقياس للفوضى في النظام. هذا السلوك نادر في الفلزات النبيلة مثل الذهب والنحاس.

حشد من الناس يستطيعون التحرك بحرية، لكنهم فجأة يبدأون في التصرف ككيان واحد — هكذا يمرر الموصل الفائق التيار دون مقاومة. في موصلات الكوبرات الفائقة (مواد أساسها النحاس والأكسجين) تتصرف هذه القدرة بشكل غريب: كثافة "السائل فائق السيولة" الذي ينقل التيار تزداد أولاً مع إضافة حاملات الشحنة (doping)، ثم تنخفض. وكأن الحشد يصبح أكثر تماسكًا، ثم يتفرق فجأة.

عندما تُجمع العديد من الذرات المثارة معًا، فإنها غالبًا ما تطلق الضوء بشكل منسق — مثل حشد يصفق بإيقاع واحد. هذه ظاهرة معروفة منذ زمن طويل تُسمى انبعاث ديكي الفائق (Dicke superradiance).

جسر من الألومنيوم بسماكة بضع ذرات هو قلب العديد من الأجهزة الكمومية. عبر هذا الجسر، يتدفق التيار دون مقاومة، ويمكن التحكم فيه بواسطة مجال مغناطيسي. تُسمى هذه الجسور وصلات جوزيفسون نسبةً إلى الفيزيائي البريطاني الذي وصف سلوكها. عادةً ما تُصنع باستخدام شعاع إلكتروني، لكن ذلك مكلف وبطيء. الطريقة الجديدة تستغني عن الشعاع الإلكتروني.

يحاول الفيزيائيون سماع همس في غرفة صاخبة. يبنون كشكًا عازلًا للصوت، ولكن حتى فيه، تنفُّسك ونبض قلبك يخلقان ضوضاء. هذا هو الحال تقريبًا في البحث عن علامات الجاذبية الكمية: يريدون رؤية كيف تربط الجاذبية بين جسيمين في كل واحد — أي تشابكهما. توضع الجسيمات في فراغ وتُغلَّف بشاشة موصلة لإزالة القوى الكهربائية.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل عازف هو لفة إلكترون (spin) — عزمه المغناطيسي الصغير. لكي تعزف الأوركسترا بتناغم، يجب أن يسمع قائد الأوركسترا كل عازف على حدة. لكن في الجرمانيوم — المادة التي تُبشّر بأن تكون أساس رقائق الكم — يعزف العازفون تقريبًا في انسجام: لفات الإلكترونات لا تنشطر تقريبًا في الطاقة.

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.

احتكاك المشط بالصوف يولّد شرارة. مبدأ مشابه يعمل في المولدات النانوية الاحتكاكية (triboelectric nanogenerators) — وهي أجهزة تحوّل اللمسات الميكانيكية إلى كهرباء. المشكلة أن المواد العادية تعطي شحنة ضعيفة. درست مجموعة من الباحثين المادة الطبقية Janus MoSSe — حيث يُغطى سطحها من جهة بالكبريت ومن الجهة الأخرى بالسيلينيوم، مثل شطيرة بحشوتين مختلفتين.

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.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة معلّقة في الهواء مثل ملاءة مشدودة. تنتقل عبره موجات حرارية — اهتزازات ذرية يسميها الفيزيائيون فونونات (phonons). كان يُعتقد سابقًا أن هذه الموجات تتبدد بسرعة بسبب التفاعل القوي، وأن الحرارة تنتقل بشكل سيئ. لكن التجارب أظهرت العكس: الحرارة تنتقل بشكل أفضل مما كانت تشير إليه الحسابات القديمة.

أحياناً تسلك الإلكترونات في البلورة سلوك الجمهور في الملعب الذي يصنع «موجة»: مناطق ذات كثافة أعلى تتناوب مع مناطق شبه خاوية. تسد هذه الموجة طريق الحركة الحرة للشحنات — فلا تكون المادة موصلاً فائقاً في الظروف العادية. لكن بمجرد تطبيق الضغط، تختفي الموجة وتبدأ الإلكترونات في الحركة دون فقدان.

سبيكة البالاديوم والتيلوريوم التي أُضيف إليها القليل من الذهب تتصرف كسلك يفقد مقاومته عند التبريد. عند الضغط العادي، بلغت درجة حرارة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق للعينات الثلاث ذات المحتوى المختلف من الذهب 2.7 و4.1 و4.6 كلفن — وهذا أبرد من المجمد، تقريبًا مثل الفضاء الخارجي. ضغط العلماء هذه العينات في غرفة خاصة، كما لو كانوا يثبتونها في ملزمة، وراقبوا التغيرات.

بلورة تيتانات الباريوم تشبه حشدًا من الناس، كل شخص يحمل سهمًا مؤشرًا. في الحالة العادية، تشير الأسهم في اتجاهات مختلفة، ولكن عند تطبيق مجال كهربائي، تدور جميعها في اتجاه واحد. هذه الحالة المنتظمة تسمى فيروكهربائية — فهي تخزن المعلومات كما تخزن إبرة البوصلة الاتجاه.

وُضعت ورقة رقيقة من الغرافين بسمك بضعة ميكرومترات في مجال مغناطيسي ضعيف، فبدأت تطرده من داخلها، كما تطرد الإسفنجة الماء إذا عُصرت. هذا التأثير، المعروف باسم تأثير مايسنر (Meissner effect)، هو العلامة المميزة للموصل الفائق: مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان.

تُلف ورقة الغرافين بسمك ذرة واحدة بزاوية صغيرة، فتبدأ بالتصرف مثل كعكة ذات طبقات، حيث تكون الطبقات مستدارة قليلاً بالنسبة لبعضها البعض. عند زاوية معينة من الدوران، تصبح هذه المادة موصلًا فائقًا: تبدأ الإلكترونات بالتحرك في أزواج، مثل الراقصين في رقصة الفالس، دون فقدان الطاقة. لكن ما يحدث بالضبط في الداخل ظل لغزًا حتى الآن.

أنبوب هادئ بداخله شبكة مسخنة. يُرفع الجهد على الشبكة فجأة — ويبدأ الأنبوب فجأة في الطنين، معتمدًا على نفسه. هذا ليس عطلًا، بل انتقال إلى حالة مستقرة أخرى، مثل كرة تتدحرج فوق تل إلى حفرة مجاورة. داخل الأنبوب، يعزز الصوت والحرارة بعضهما البعض: تذبذبات الهواء تغير تسخين الشبكة، والتسخين يدفع التذبذبات.

بلورة أكسيد الأوزميوم OsO₂ تشبه مراهقًا عنيدًا: في الظروف العادية تتصرف كمعدن عادي، لكن بمجرد الضغط عليها بقوة أكبر، يتغير سلوكها. قام الفيزيائيون بزراعة هذه المادة على شكل بلورات مفردة عالية الجودة واكتشفوا أنه عند الضغط الجوي، يكون OsO₂ موصلًا جيدًا بسلوك سائل فيرمي واضح، حيث تتناثر الإلكترونات بشدة على بعضها البعض، مثل حشد في ممر ضيق.

الموصل الفائق ينقل التيار دون فقدان، مثل طريق مستوٍ تمامًا تسير عليه السيارات دون احتكاك. ولكن ماذا لو ألقينا الحجارة والحفر على الطريق؟ قرر العلماء اختبار ذلك بإضافة فوضى إلى مادة موصلة فائقة بسماكة ذرة واحدة. أخذوا طبقة رقيقة للغاية من مركب الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم — موصل فائق عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة العديد من المواد الأخرى.

الصوت على سطح البلورة يشبه تموجات الماء، لكنه يجري على جسم صلب. هذه التموجات تُسمى الموجة الصوتية السطحية (surface acoustic wave): فهي تتحرك أبطأ من الضوء بمئة ألف مرة، لذا يمكن ضغطها في مقاطع قصيرة جدًا ووضعها على شريحة صغيرة. عادةً تُطلق هذه الموجات بواسطة أمشاط معدنية من الألومنيوم أو الذهب.

بلورة من السترونشيوم واليود والأكسجين والهيدروجين — تبدو للوهلة الأولى كمسحوق أبيض عادي. لكن إذا ضغطتها بقوة تعادل مئات الآلاف من الأغلفة الجوية، يبدأ داخلها إعادة ترتيب. ذرات اليود، التي عادةً ما تبقى متباعدة، تقترب فجأة وتشكل روابط جديدة. عند ضغط 2.5 غيغاباسكال (وكأنك وضعت ثقلاً وزنه 25 طناً على ظفر إصبعك) تبدأ جزيئات حمض اليوديك واليودات المنفردة بالاندماج في أزواج.

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.

المادة الطبقية (SnS)1.15(TaS2) تشبه رزمة من الورق، حيث توصل الصفائح التيار الكهربائي، وبينها طبقات عازلة تمنع الصفائح من الالتصاق ببعضها. عند الضغط العادي، توصل هذه المادة التيار دون مقاومة، أي أنها موصل فائق.

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.

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.

المعدن يشبه حبلًا من خيوط كثيرة: إذا شددته بقوة زائدة، يتمزق. لطالما بحث المهندسون عن طريقة لجعله قويًا ومرنًا في آن واحد. عادةً ما تجعل الإضافات التي تزيد الصلابة المعدن هشًا. لكن فريقًا من علماء المواد وجد ثغرة: أضافوا إلى سبيكة CrMnFeCoNi القليل من النيتروجين — ذرة واحدة فقط من كل مئة — وحصلوا على نتيجة غير متوقعة.

في الشبكة البلورية لسيلينيد الحديد، تتناوب ذرات الحديد والسيلينيوم مثل الطوب في البناء. لكن في بعض الأحيان، تتسلل ذرات حديد إضافية إلى الفراغات بينها، مثل ضيوف غير مدعوين يحشرون أنفسهم في الشقوق بين الطوب. فقط 3% من هؤلاء "الضيوف" تكفي لاختفاء الموصلية الفائقة: تتوقف المادة عن توصيل التيار دون مقاومة.

تتصرف المغناطيسات في هذه البلورة كضيوف في حفلة يريد كل منهم الجلوس على الكرسي نفسه. لا يمكن لأحد أن يستقر نهائيًا — ومن هذا الاضطراب تولد حالة خاصة. في هذه الحالة، يتمكن العزم المغزلي (ما يجعل الإلكترون مغناطيسًا صغيرًا) من قطع 480 ميكرومترًا. للمقارنة: سمك شعرة الإنسان حوالي 80 ميكرومترًا، أي أن السبين يقطع ستة أضعاف هذا السمك على التوالي.

الموصل الفائق هو مادة يتدفق فيها التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا نشأت دوامات فيه، يبدأ التيار في «التعثر» بهذه الاضطرابات الصغيرة. في الغرافين الملفوف بزاوية خاصة، يمكن إنشاء مثل هذه الدوامات ودراستها واحدة تلو الأخرى. بنى العلماء جهازًا يشبه جسرًا ضيقًا بين ضفتين فائقتين للتوصيل.

الموصل الفائق العادي يعمل فقط في "مجمد الطبيعة"، أي عند درجات حرارة أقل من مئة درجة تحت الصفر. مادة كرات الكربون K₃C₆₀ ليست استثناءً: بدون البرد، تقاوم التيار مثل حشد في ممر ضيق. لكن الفيزيائيين لاحظوا شيئًا غريبًا: إذا سلطوا ليزرًا عليها، فإنها تبدأ في توصيل التيار دون فقدان حتى في الدفء. صحيح أنهم احتاجوا سابقًا إلى شعاع قوي كاد أن يذيب العينة.

مكعب من تانتالات البوتاسيوم يتصرف كعازل كهربائي عادي: فهو لا يخزن المجال الكهربائي. ولكن بمجرد زراعة هذه المادة كغشاء رقيق على ركيزة من بلورة أخرى، يتغير كل شيء. الشبكات البلورية للغشاء والركيزة غير متطابقة في الحجم، لذا يضطر الغشاء إلى التكيف — فهو ينضغط بنسبة 2.1 بالمئة.