كاشف فائق التوصيل

على الطاولة ترقد طبقات متراكمة من رقائق نتريد البورون السداسي، وهو مادة تشبه الغرافيت لكنها مكونة من ذرات البورون والنيتروجين. تُنقل رقيقة واحدة بعناية فوق أخرى، وفي موضع تراكبهما، بعد التسخين في الأكسجين، تولد مصادر ضوء مفردة ساطعة. وتزداد كثافتها بما يصل إلى خمسة عشر ضعفًا مقارنة بالمناطق العادية، بينما تبقى الجودة كما هي.

ثقب أسود صغير يخترق سحابة هيدروجين فيمدد الذرات كما لو كانت حلوى مطاطية. هكذا يبدو الموصل الفائق عندما يُحتجز فيه تيار غير متبدد: المادة التي يتدفق فيها الكهرباء دون فقدان تتحول إلى مغناطيس دائم مصغر.

الكرة الأرضية تقف على الطاولة، والمسطرة بجانبها: واحدة منحنية والأخرى مستقيمة. عاشت تلسكوبات الأشعة السينية لسنوات مع هذا التناقض. مراياها تجمع الضوء على سطح منحنٍ، مثل الكرة الأرضية، بينما الكواشف التي تلتقط هذا الضوء كانت مسطحة، مثل المسطرة. كان المهندسون يغطون السطح المنحني بفسيفساء من العديد من أجهزة الاستشعار المسطحة الصغيرة، متحملين الفجوات بينها وتعقيد البناء. الآن أمكن ثني المسطرة.

كانت خرائط الكنز القديمة تُرسم بناءً على إشاعات: فمن وجد ذهبًا عند النهر، ومن وجده في الجبال، وكان كلٌّ يحفر في مكانه. حدث شيء مشابه مع الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة: وُجدت الكوبرات في مركبات معينة، وبكينتيدات الحديد في أخرى، والنيكيلات في ثالثة، دون وجود خريطة موحدة.

جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل هو أداة تلتقط مجالًا مغناطيسيًا أضعف بمليارات المرات من إبرة البوصلة العادية. بداخله جسر ضيق تنقطع فيه فجأة خاصية التوصيل الفائق. يعمل هذا الجسر مثل بوابة دوارة لتدفق المغناطيسي: بعدّ كمية الكمات التي مرت، يقيس الجهاز المجال. لكن المشكلة أن الجسر يُصنع من قطعتين من الموصل الفائق تُلحمتان تحت المجهر.

ضوء النجم، عندما يمر عبر الغلاف الجوي وبصريات التلسكوب، يرتجف مثل انعكاسات الشمس على الماء. في هذا التموّج تختبئ الكواكب — شرارات خافتة بجوار ضوء ساطع يبهر العين. لرؤيتها، علينا تجميد التموّج: جعل الضوء مستويًا كالزجاج. لكن التموّج يتغير كل جزء من الألف من الثانية، والأجهزة العادية لا تلتقطه في الوقت المناسب.

يرسل الكون إلينا إشارات باستمرار، لكن كثيرًا منها أضعف من أن تُلاحَظ. النيوترينوات الأثرية النيوترينوات — الجسيمات التي خلفها الانفجار العظيم — تخترق الأرض بالمليارات كل ثانية، لكن التقاط واحدٍ منها فقط مهمةٌ على حافة المستحيل. نحتاج إلى كاشفٍ يستشعر طاقةً أصغر بألف مرة من الطاقة اللازمة لتحريك ذرّة غبار. يعمل الجهاز الجديد SuperEM كأذنٍ مرهفة تلتقط الهمس.

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.

تتصرف العديد من المواد مثل الجليد المتقلب: فهي تذوب عند ضغط معين، وتزداد صلابة عند ضغط آخر. والموصلات الفائقة من عائلة الكوبرات ليست استثناءً. فقدرتها على توصيل التيار دون فقدان تعتمد على مدى انضغاط الشبكة البلورية. في الدراسة الجديدة، تتبع الفيزيائيون هذا الاعتماد لمركب Bi-2223.

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.

يطور المهندسون سبيكة لمجمعات الطاقة الشمسية، بإضافة جسيمات صلبة مشتتة إلى المصفوفة — طور مقوٍّ، يشبه الزبيب في العجين، يسمح للمادة بالحفاظ على استقرارها البنيوي في درجات حرارة قصوى الحرارة. إذا كانت هذه الشوائب كبيرة جدًا، تنشأ تشققات في المادة. سابقًا، اضطر العلماء إلى عد هذه الجسيمات يدويًا في الصور المجهرية الملتقطة بالميكروسكوب.

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.

عندما يموت نجم هائل، ينكمش قلبه، ويحدث انفجار مستعر أعظم. ويولد هذا الحدث الكارثي تيارات من الجسيمات، مثل تموجات من حجر ألقي في الماء. تصل النيوترينوات السريعة أولاً، وتخترق الأرض دون أن تتفاعل معها تقريباً. ثم، بعد تأخير بضع ساعات، تظهر جسيمات شبحية بشحنة صغيرة جداً.

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.

مصوّر فوتوغرافي يلتقط غابة ليلية محاولًا الإمساك باليراعات في كادر. الومضات نادرة وخافتة، وحوله ضجيج الريح وأضواء بعيدة. هكذا تقريبًا يعمل الكاشف الضخم Hyper-Kamiokande في اليابان: فهو يلتقط النيوترينوات — جسيمات شبه غير ملموسة — عبر ومضات ضوئية صغيرة في 260 ألف طن من الماء.

شعاع مصباح يدوي موجه عبر زجاج مصنفر يتحول مع كل ملليمتر إضافي من السماكة إلى بقعة ضبابية. هذا هو تقريبًا سلوك الوميضات (scintillators) — المواد التي تحول أشعة إكس إلى ضوء مرئي. وهي أساس التصوير الطبي، وتفتيش الأمتعة، وكواشف المسرعات. وميض سميك يلتقط تقريبًا كل كمات الأشعة السينية (جسيمات الضوء)، لكن الضوء المتولد داخله يتشتت جانبًا، وتفقد التفاصيل الدقيقة في الصورة.

أربع برك صغيرة، وفيها تموج قطرات من سائل فائق الميوعة. هذه القطرات هي ذرات مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ومقترنة في أزواج مثل مغناطيسات صغيرة. عندما يدور الهيكل بأكمله، يتدفق السائل بين البرك. يكفي ببساطة عدّ عدد القطرات في كل بركة — فتصبح الزاوية وسرعة الدوران معروفتين. عادةً، تكون هذه القياسات محدودة بالضوضاء الكمومية — وهي تموجات لا يمكن إزالتها تطمس الصورة.

مقياس المطر العادي يجمع الماء في دلوٍ ويُظهر الحجم الكلي للهطول. أما الجهاز الجديد فهو ككفٍّ حساسة تلمس كل قطرةٍ ساقطة وتعدّها، حتى عندما يصل عدد القطرات إلى عدة آلاف. هذا بالضبط ما بناه الفيزيائيون. لقد تعلّموا عدّ الفوتونات بدقة — وهي أصغر حزم الضوء — في ومضات ليزر ضعيفة جدًا.

عازفان في غرفتين مختلفتين يعزفان نغمة واحدة. يجب أن يكون الصوت متطابقًا لدرجة أن المستمع لا يستطيع تحديد من يعزف. في العالم الكمومي، يؤدي دور هذين العازفين مصادر الفوتونات المفردة — وهي جسيمات ضوئية يجب أن تكون غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض. وبدون ذلك، لا يمكن بناء حاسوب كمومي ولا شبكة اتصالات آمنة.

المجال المغناطيسي للأرض، الذي يحرك إبرة البوصلة، قوي. المستشعر الجديد يلتقط مجالات أضعف بمئة ألف مرة، ولا يحتاج لذلك لا إلى هيليوم سائل ولا إلى منشآت ضخمة. كل شيء يتسع على لوحة دوائر مطبوعة — مثل تلك الموجودة داخل الهاتف الذكي. السر في زوج من مرنان نحاسي وبلورة من غارنيت الحديد والإتريوم. المرنان هو تجويف تتردد فيه الموجات الدقيقة مثل صدى في قاعة فارغة.

في أعماق جبل إيكينو الياباني، يوجد خزان يحتوي على خمسين ألف طن من أنقى المياه. فيه تُلتقط النيوترينوات — جسيمات شبحية تخترق الأرض من طرف إلى آخر دون أن تكاد تلاحظها. عندما ينفجر نجم في مجرتنا، تصل النيوترينوات أولاً، قبل الضوء بساعات. المستعر الأعظم يولّد وميضاً من النيوترينوات، وأصبح كاشف سوبر-كامينوكاندي قادراً على تحديد الجهة التي جاء منها بسرعة.

تنزل إبرة معدنية على قطعة من موصل فائق. يحدث كل هذا داخل مبرّد يبرّد العينة إلى 30 جزءًا من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق — أبرد بمئة مرة من الفضاء الخارجي. يُمرَّر تيار ضعيف عبر الإبرة، ومن خلال كيفية مرور الإلكترونات عبر بقعة التلامس الصغيرة جدًا، يقرأ الفيزيائيون ما يحدث داخل المادة.

المجهر الضوئي العادي يصطدم بحد: فهو لا يميّز نقطتين إذا كانت المسافة بينهما أقل من 200 نانومتر — أي ما يعادل سمك فقاعة صابون مقسومًا على مئة. للنظر أعمق، كان العلماء يجبرون الجزيئات في العينة على الوميض أو البهتان، لكن هذه الحيل بطيئة وتضر بالخلايا الحية. الجهاز الجديد — مجهر الكشف المهيكل (Structured Detection Microscope) — يفعل الأمر بشكل مختلف.

الضوء تحت الأحمر غير مرئي للعين، لكنه في كل مكان: من جهاز التحكم عن بعد في التلفاز إلى حرارة جسم الإنسان. لالتقاطه، نحتاج إلى مواد خاصة. الكاشفات التقليدية ضخمة، وصلبة، وضعيفة الضبط على الطول الموجي المطلوب. توجه الباحثون إلى الفوسفور الأسود، وهو مادة طبقية يمكن تقشيرها إلى غشاء بسماكة ذرات معدودة.

الإلكترون الواحد في مجال مغناطيسي يشبه قمة دوّارة صغيرة تدور وتصدر «صريرًا» ضعيفًا بترددها الخاص. يكاد يكون من المستحيل سماع هذا الصرير مباشرة: فهو يغرق في الضوضاء. ابتكر العلماء رنانًا — شريطًا ميكروويفيًا فائق التوصيل يعمل مثل شوكة رنانة مضبوطة على نفس النغمة. عندما يقترب الإلكترون، يجعل صريره الشوكة الرنانة تصدر صوتًا أعلى، فيصبح الإشارة ملحوظة.

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.

يشبه التيار الكهربائي في الموصل الفائق حشدًا يركض في ممر دون احتكاك. لكن في الموصلات الفائقة من النوع الثاني توجد عوائق — دوامات صغيرة من المجال المغناطيسي يزيحها التيار من مكانها. بمجرد أن تتحرك الدوامة، تظهر مقاومة، وينخفض التيار. لذلك تُظهر القياسات العادية تيارًا أقل بشكل ملحوظ من الحد الذي تتحلل عنده الموصلية الفائقة.

المادة المظلمة هي كتلة غير مرئية تمسك المجرات معًا. طبيعتها غير معروفة، لكن أحد المرشحين المحتملين هو الأكسيون، وهو جسيم فائق الخفة لا يكاد يتفاعل مع المادة. للإمساك به، ابتكر الفيزيائيون مصيدة هجينة. اكتشفت عالمة الفلك فيرا روبين في سبعينيات القرن الماضي أن النجوم عند أطراف المجرات تتحرك بسرعة كبيرة جدًا.

ضبط جهاز الراديو على المحطة المفضلة هو بحث عن التردد الصحيح وسط الضوضاء. الجهاز الجديد يفعل الشيء نفسه، لكن لموجات يبلغ طولها نحو ثلاثة مليمترات. تأتي هذه الموجات من مجرات بعيدة، وربما من جسيمات المادة المظلمة. الجهاز عبارة عن نمط من مسارات نايوبيوم فائقة التوصيل على صفيحة سيليكون. كل مسار يتردد عند تردده الخاص، مثل وتر الغيتار على نغمته.

تحيط بنا موجات الراديو، لكن العين لا تراها. مستشعر جديد بحجم الظفر يحولها إلى بقعة ملونة على شاشة صغيرة. داخل الرقاقة توجد طبقة من البلورات السائلة، وهي نفسها المستخدمة في شاشات الهواتف. ومن بينها أسلاك رفيعة من مادة مغناطيسية حديدية. عندما تصل موجة راديو، تسخن الأسلاك بسرعة. ينتقل الحرارة إلى البلورات، فتغير ترتيب جزيئاتها. الضوء المار عبر البلورات يتغير استقطابه.

الموصل الفائق هو مادة، عند تبريدها بشدة، توصل التيار دون فقدان، مثل الماء الذي يتدفق في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا ضربته بومضة ضوئية قصيرة، فإنه يفقد هذه الخاصية بسرعة. في التجربة الجديدة، أضاء العلماء غشاءً رقيقًا من نيتريد النيوبيوم وقاسوا خلال كم جزء من مليار من الثانية تختفي الموصلية الفائقة.

في برد عميق، عند درجة حرارة لا تتجاوز درجتين فوق الصفر المطلق، يستمع تجويف نحاسي بحجم قدر إلى صمت الكون. هذا التجويف هو قلب النموذج الأولي لكاشف Supax، المصمم للبحث عن الأكسيونات: جسيمات لم يرها أحد قط، لكنها قد تشكل المادة المظلمة غير المرئية التي تربط المجرات ببعضها. الأكسيونات مثل الأشباح: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية.

غشاء أشباه الموصلات بسماكة ذرة واحدة هو بمثابة غشاء رقيق مشدود. عند تعرضه للضوء، يومض: تولد فيه إكسيتونات — حالات مرتبطة من إلكترون وثقب، تتصرف كنقاط مضيئة وتتلاشى بسرعة عبر إعادة الاتحاد. في الأماكن التي تتعطل فيها البنية الذرية — مثل وجود فواصل أو طيات — يصبح التوهج غير مستقر: يرتجف وينقطع. يشبه ذلك وترًا معقودًا يصدر نغمة شاذة، مشوهًا اللحن الموسيقي.

المستقبل لا يلتقط موجات الراديو، بل ضوءًا دون المليمتري — وهو ما تشعه سحب باردة من الغاز والغبار في المجرات البعيدة. في داخله شبكة من الرنانات الصغيرة، كل واحد مضبوط على تردد معين، مثل أوتار البيانو على النغمات. هذا الجهاز يسمى مطيافًا ميدانيًا متكاملًا (integral field spectrometer): فهو يلتقط خريطة كاملة للسماء دفعة واحدة، محللًا الضوء إلى ألوان.

غشاء رقيق من زرنيخيد الإنديوم موضوع على ركيزة عازلة يتصرف مثل ترمس مزدوج الجدران: الإلكترونات بداخله لا تنقل الحرارة تقريبًا إلى البلورة المحيطة. في المعدن العادي، تتبادل الإلكترونات الطاقة بسرعة مع اهتزازات الذرات، لذا تكون درجة حرارتها دائمًا قريبة من درجة حرارة العينة.

الكاميرا التي لا تلتقط الضوء بل تيارًا من الإلكترونات المنعكسة عن بلورة هي كاشف بكسل هجين (hybrid pixel detector). إنه قادر على عد كل إلكترون يصطدم به، دون إحداث ضوضاء خاصة به تقريبًا. في الوضع العادي، عندما يتدفق شعاع الإلكترونات بشكل مستمر، يعمل الكاشف بشكل ممتاز.

الفوتون يشبه مركبة في موقف متعدد الطوابق، حيث يمثل كل طابق تردده (لونه). عادةً ما يعلق في طابق واحد، لكن العلماء أضافوا مصعدًا — مُعدِّلًا قابلًا للبرمجة ينقل الفوتون بين الطوابق حسب الأوامر. يخلق هذا المصعد روابط بين الترددات، محولًا إياها إلى ما يشبه شبكة اصطناعية، تُذكّر بطريقة دراسة الضوء بتحليل تردداته — المطيافية.

فوتون الأشعة السينية يدخل إلى المستشعر مثل حصاة تُلقى في ماء هادئ. الماء هو غشاء رقيق من الألومنيوم والمنغنيز، مبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق. من أثر الاصطدام، تنتشر موجة حرارية عبر الغشاء، ومن ارتفاعها يمكن معرفة مقدار الطاقة التي حملها الفوتون.

جهاز الأشعة السينية في عيادة الأسنان يلتقط صورة مسطحة واحدة للسن. أما إذا أردنا رؤية ما بداخل شريحة دقيقة من جميع الجهات، فكان لزامًا نقل العينة إلى السنكروترون — وهو مسرّع جسيمات بحجم ملعب كرة قدم. كاشفات الفوتون الهجينة تغيّر هذه الصورة: فهي تلتقط كل كمّ من الأشعة السينية على حدة، كما تلتقط الكاميرا الرقمية الضوء، وتحوّله إلى إشارة كهربائية.

يسقط شعاع من الأشعة السينية على قطعة من الموصل الفائق، فترتفع حرارتها قليلًا. هذا التسخين، الذي يبلغ أجزاء من بليون درجة، هو الأثر الوحيد الذي يتركه الضوء. الكاشف الجديد يلتقط هذا الأثر تمامًا، مثل مقياس حرارة حساس يُضغط على معدن بارد. داخل المستشعر توجد طبقة رقيقة فائقة التوصيل تعمل على حافة فقدان خاصية التوصيل الفائق.