إلكترونيات فائقة التوصيل

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.

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.

كبسولة صغيرة جدًا تشبه فقاعة الصابون، لكن جدارها مصنوع من بلورات متوهجة، تتصرف مثل الليزر. ما دام جدارها سليمًا، ينتقل الضوء في مسار دائري، ويتضخم، ثم ينطلق كشعاع ضيق ساطع. وما إن يتشقق الجدار حتى يتحول الشعاع إلى بقعة باهتة. هذه الكبسولة هي جسيم غرواني (colloidosome)، وهي قادرة على تغيير توهجها عند الطلب.

يشبه الموصل الفائق أوركسترا تعزف دون أي نغمة خاطئة، حتى يدير قائد الأوركسترا مقبض الضبط. في هذا العمل الجديد، تبين أن هذا المقبض هو التاريخ المغناطيسي لتلامسات النيكل. صنع العلماء أغشية دقيقة فائقة التوصيل من أكسيدي LaAlO3 وSrTiO3، حيث تنشأ عند الحدود بين المادتين طبقة رقيقة من الإلكترونات الحرة، وهي غاز إلكترون ثنائي الأبعاد.

في الممر الضيق، لا يسير الناس كحشد، بل في صفوف. عدد الصفوف يعتمد على عرض الممر. في الغرافين، يلعب التلامس النقطي الكمومي دور هذا الممر - وهو انقباض حيث تتحرك الإلكترونات باليستياً دون تشتت. بوابتان بفجوة 75 نانومتر تُنشئان هذا الممر، وبوابة ثالثة تغير عرضه، فتفتح أو تغلق الأنماط الكمومية - "صفوف" متقطعة للإلكترونات. كل نمط جديد يضيف درجة إلى الموصلية.

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.

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.

وُضعت قطعة من غشاء أرق من شعرة الإنسان بين سنداني الماس وبدأ الضغط عليها. ارتفع الضغط — مئة ألف ضغط جوي، نصف مليون، مليون… والمادة واصلت توصيل التيار دون مقاومة. الضغط البالغ 210 جيجا باسكال يعادل وضع ألفي فيل على ظفر إبهام اليد. أظهر غشاء نيكلات اللانثانم-سترونشيوم (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) صورة مذهلة.

في الطبقات الرقيقة من بلورة سيلينيد التنتالوم (TaSe₂) اكتُشفت خاصية تتحدى الفيزياء المألوفة. عندما أُدخلت ذرات ضيفة بين طبقات هذه المادة، فقد البنية مركز التناظر الانعكاسي — وظهرت في داخله موصلية فائقة بحماية غير عادية. عادةً، المجال المغناطيسي القوي يدمر الحالة فائقة التوصيل، ممزقًا أزواج كوبر — الحالات المرتبطة من الإلكترونات ذات اللفات المتعاكسة.

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%.

في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، تشبه الآلات الحرارية خطاطًا ماهرًا: كلما اقترب من الكمال (كفاءة كارنو)، كلما تباطأت سرعته (القدرة).

الكيوبتات فائقة التوصيل هي القلب النابض لـ الحواسيب الكمومية، لكن إيقاعها يضطرب بفقدان التماسك: حيث تذوب الكمومية في الضوضاء. البنى التقليدية إما تفقد دقة التحكم، أو تعتمد على المجالات المغناطيسية — وهذه، كقادة أوركسترا غير مدعوين، تُدخل تداخلاً متبادلاً. أليكسي كيتايف ابتكر الحماية التماثلية — وسيلة لترميز الكيوبت بحيث لا تراه ضوضاء الشحنة.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف — وهو الكيوبت — أن يعزف دوره بدقة وفي الوقت المناسب. عادةً ما يُجلَس العازفون في أماكن ثابتة وتُربط بينهم أسلاك تشبه منصات القيادة.

في حوض السباحة، عادةً ما ينتشر الماء في دوائر من حجر يُلقى فيه. لكن إذا وجّهت التدفق بدقة على طول الحافة، فسوف يجري على طول الحافة فقط. شيء مشابه لُوحظ في قطع من بلورة فائقة التوصيل FeTe0.55Se0.45. عند قياس المقاومة، تبيّن أن التيار لا يمر عبر البلورة بأكملها، بل فقط على طول حدودها الحادة والمستقيمة تمامًا — وكأنه يسري في قناة غير مرئية. هذه القناة تعمل فقط عند توفر ثلاثة شروط.

في بلورة CsV3Sb5-xSnx، التي تصبح موصلًا فائقًا عند درجات حرارة منخفضة، لا يسري التيار كتدفق متصل، بل عبر مسارات ضيقة متعرجة. ساعد في رصد هذه المسارات مجهر ماسح مزود بمستشعر حساس للمجال المغناطيسي، يلتقط أدق التيارات كما يفحص مسبار الصدى قاع البحر. الصورة تذكرنا بشبكة جداول تشق الصخر: بعض المناطق تسمح بمرور التيار، بينما تظل أخرى محجوبة.

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.

الموصل الفائق يشبه طريقًا سريعًا مثاليًا بلا إشارات مرور: الإلكترونات تندفع دون عوائق. لكن بمجرد تطبيق جهد كهربائي، يتغير المشهد. في تجربة جديدة، اكتشف الفيزيائيون أن المجال الكهربائي يخترق الموصل الفائق ويخلق بداخله نمطًا مختلطًا.

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.

غشاء رقيق من أكسيد الإيتريوم-الباريوم-النحاس يُسخَّن في تيار من الأشعة تحت الحمراء — وفجأة يتوقف عن تبديد الطاقة. هذا هو التوصيل الفائق: تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك كسرب كمومي واحد. لكن في العينات منخفضة التطعيم، يختل الاتفاق قبل وقت طويل من تفكك الأزواج. الأزواج موجودة بالفعل، لكن الإيقاع الجماعي غائب.

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.

شريط مطاطي يزداد سُمكًا كلما شددته بقوة أكبر. في الكهرباء، يُسمى هذا السلوك بالسعة السالبة: كلما زادت الشحنة المتراكمة على اللوحين، انخفض الجهد. أما المكثف العادي فيعمل بالعكس — يرتفع الجهد مع ازدياد الشحنة. تبشّر السعة السالبة بتوفير هائل للطاقة في الرقائق الدقيقة، لكن من الصعب الحصول عليها بشكل نقي.

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.

الموصل الفائق ينقل التيار دون مقاومة — مثل الماء الجاري في أنبوب دون احتكاك. السر يكمن في أزواج الإلكترونات: إلكترونان يلتصقان معًا ككيان واحد، رغم أنهما عادةً يتنافران. في الموصل الفائق العادي، يتجه لَفّا الإلكترونين في الزوج إلى اتجاهين مختلفين — وهذه حالة مفردة (singlet). يمكن تشبيهها بمتزلجين فنيين يدوران ظهرًا لظهر.

الذرة مثل قائد الأوركسترا، والضوء داخل الرنان هو الأوركسترا. تبادل الطاقة بينهما، المعروف باسم تفاعل جينز-كمينغز (جزء من النموذج القياسي)، يسمح للذرة بتغيير إيقاع ونغمة التذبذبات بحركات "العصا". لكن حتى الآن، كان بإمكان القائد أداء عدد قليل فقط من المقطوعات المُعدّة مسبقًا — مجموعة الحالات المتاحة للمجال الضوئي كانت محدودة.

الشوكة الرنانة تعلو نبرتها وتخفت ليس لأن أحدًا توقف عن الإمساك بها، بل لأن اليد نفسها التي تضربها تخلق حولها معلقًا غير مرئي يخمد الاهتزازات. هذا تقريبًا ما يفعله الرنان فائق التوصيل (superconducting resonator) — مسار صغير تجري فيه إشارة الميكروويف بخسائر شبه معدومة.

في المعادن المألوفة لدينا مثل النحاس، تتحرك الإلكترونات بشكل شبه مستقل — مثل السيارات على طريق سريع مفتوح. تنشأ المقاومة بسبب التصادمات النادرة، ويمكن وصفها بصيغ بسيطة. لكن هناك فئة كاملة من المواد — من سيراميك الكوبرات إلى الغرافين الملتوي — حيث فوق درجة حرارة الانتقال الفائق، كل شيء يسير بشكل مختلف.

صفوف الأسلاك الممتدة من الغرفة الدافئة إلى الثلاجة التي تحتوي على الرقاقة الكمومية تذكرنا بمقسم هاتف متشابك من القرن الماضي. كان كل كيوبت يتطلب قناة تناظرية خاصة به لضبط دقيق، وكانت الكابلات تحمل حرارة زائدة وتتشابك تحت الأيدي. الآن وضع الباحثون محولاً رقمياً-تناظرياً مباشرة في المنطقة الباردة، بجوار الكيوبتات.

الذاكرة العادية في جيبك تسخن حتى عندما تكون خاملة. تخيل الآن ذاكرة لا تستهلك شيئًا تقريبًا في البرد - مثل ترمس لا يبرد. الموصل الفائق عند درجة حرارة الهيليوم السائل يوصل التيار دون فقدان، لكنه لم يكن قادرًا على تخزين البيانات. الخلية الجديدة تغير هذا.

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.

صفّ من قطع الدومينو: عندما تسقط الأولى وتدفع التالية، تسري موجة على طول السلسلة. الحد الفاصل بين القطع الساقطة والواقفة هو صورة دقيقة للجدار المغناطيسي. في الأغشية المغناطيسية المجهرية، تفصل هذه الجدران مناطق ذات مغنطة مختلفة. هذه الحدود المتحركة قادرة على حمل المعلومات — وكأنها تتحول إلى كيوبت بذاتها. الميزة الرئيسية هي المتانة.

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.

يشبه الحاسوب الكوانتي أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف دوره بإتقان، وإلا انهار اللحن. سابقًا، كانت إدارة الكيوبتات — "العازفين" الكوانتيين — تتطلب غرفة مليئة بالمعدات، وكل سلك إضافي كان يضيف ضوضاء.

في عالم الموصلات الفائقة، لا تحب الإلكترونات العزلة. عادةً ما تتحد في أزواج — أزواج كوبر — وتتحرك دون مقاومة، مثل متزلجين فنيين يتكاتفان. لكن يمكن جعلها ترقص على أربع. يقترح مؤلفو هذا العمل مخططًا تولد فيه رباعيات كوبر — مجموعات من أربعة إلكترونات تتبادل الشركاء بإيقاع سريع. مفتاح هذه الرقصة هو نقطتان كموميتان، جزيرتان صغيرتان قادرتان على احتجاز الإلكترونات. وهما متصلتان بسلك معدني عادي وبضفتين فائقتين التوصيل.

سلك نحاسي تحت ضربة ليزر يشبه مطبخًا يشغّل فيه الطبّاخ الموقد وفي نفس الوقت يراقب ساعة الإيقاف. تبدأ ذرات النحاس بالرقص، فتفقد انتظام الشبكة البلورية، بينما تشعر الإلكترونات، مثل النادلين في القاعة، بالتغيير فورًا. ولكن ما مقدار الفوضى اللازم حتى يلاحظوا ذلك؟ يتبيّن أن بداية الانصهار كافية. أطلق العلماء نبضات ليزر مفردة بقوى مختلفة على أغشية نحاسية رقيقة.

يدخل القاضي قاعة المحكمة دون أن ينظر إلى الأدلة — ويصدر الحكم فوراً. هكذا يعمل المستشعر الكمومي الجديد: فهو لا يقيس الإشارة بل يقرر مباشرة إلى أي صنف تنتمي. في الاستشعار الكمومي التقليدي، الأمر يشبه التحقيقات: أولاً تجمع الأدلة (تقيس الإشارة)، ثم تحللها. لكن العلماء اقترحوا مساراً مختلفاً — دمج القياس الكمومي والحوسبة الكمومية في دائرة واحدة.

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 الحاسوب الكمومي، يشبه الكيوبت مشاةً على حبل مشدود: أي نَفَسَة ريح تُفقده توازنه. تتراكم الأخطاء وينهار الحساب. عادةً تُصحَّح الأخطاء بمقارنة الكيوبتات المجاورة، لكن هذا أشبه بطلب من المشاة على الحبل أن يلتفت إلى جاره — حركات زائدة ومخاطرة. في العمل الجديد، فعل الفيزيائيون خلاف ذلك: الكيوبت عندما يتعثر يصرخ بنفسه «لقد سقطت!» فيُلتقط فورًا.

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.

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.

النيوبيوم معدن، عند تبريده إلى بضع درجات فوق الصفر المطلق، يوصل التيار بدون مقاومة. في المختبرات، يُطلى على شكل مسارات رفيعة على ركيزة، مثل تزيين الكعكة بالكريمة. لكن أثناء عملية الطلاء، يتسرب الأكسجين من القناع الخاص إلى المعدن، مما يفسد خصائص الموصلية الفائقة.