حلقة فائقة التوصيل

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.

تخيل سُلَّمًا قضبانه مغناطيسات صغيرة. إذا كانت المغناطيسات المتجاورة موجهة بشكل متعاكس (مضادة للتوازي)، يكون السُلَّم في حالة "هادئة". ولكن إذا جعلناها تصطف في اتجاه واحد، فإن البنية بأكملها تتمغنط وتصبح "عنيدة" — ينشأ ترتيب مغناطيسي حديدي.

السائل الكمومي المغزلي هو حالة غريبة من المادة، حيث تتصرف العزوم المغناطيسية للذرات (اللفائف المغزلية) مثل سائل: فهي تتقلب باستمرار ولا تتجمد في بنية منتظمة حتى عند درجات حرارة منخفضة للغاية درجات الحرارة. واحدة من أشهر النماذج النظرية لهذه الحالة اقترحها الفيزيائي أليكسي كتاييف.

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.

تيار بلا فقدان — حلم قديم لقطاع الطاقة. بعض المواد تصبح موصلات فائقة، لكن عادةً فقط عند برودة شديدة. مؤخرًا، في عائلة النيكلات — مركبات قائمة على النيكل — اكتُشفت مرشحات تعمل عند درجات حرارة أعلى. مجموعة من المنظرين تناولت ثلاثًا من هذه المواد (مع اللانثانوم والبراسيوديميوم والنيوديميوم) وحسبت سلوكها "من الصفر"، دون تكييف مع التجربة. كشف الحساب عن صورة غير متوقعة.

تُبرَّد قطعة من المعدن إلى مائتي درجة تحت الصفر، فيبدأ التيار الكهربائي بالجريان عبرها دون أدنى احتكاك — كما لو أن الماء في أنبوب يتدفق دون أن يلامس الجدران. هذا السلوك يُسمى الموصلية الفائقة. لفترة طويلة، بحث العلماء عنها في النيكلات — مركبات النيكل والأكسجين، المشابهة في بنيتها للموصلات الفائقة الكوبراتية الشهيرة.

لما يقرب من أربعين عامًا، لا تزال الموصلية الفائقة عالية الحرارة في الكوبرات أحد أعمق الألغاز في فيزياء المادة المكثفة. في المعادن العادية، تتزاوج الإلكترونات في أزواج كوبر بفضل اهتزازات الشبكة البلورية، لكن تأثير النظائر هنا ضعيف للغاية.

تبشر الإلكترونيات السبينية بنقل المعلومات ليس بالشحنة بل باللف المغزلي، مما يُخلّص الإلكترونيات الدقيقة من عدوها الرئيسي: تسخين جول. تُعلّق آمال خاصة على العوازل المغناطيسية، حيث يمكن أن يحمل التيار السبيني داخلها مغنونات أو متكثف سبيني واحد - حالة كمومية عيانية، أشبه بـالناقل الفائق بلا مقاومة.

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.

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.

مغناطيس صغير يطفو في فخ مغناطيسي، مثل إبرة عديمة الوزن. محوره الممغنط كإبرة بوصلة عنيدة، ممنوعة من الدوران. أمامه يرتفع جدار غير مرئي. لكن في عالم الكم، الجسيمات تستطيع التسرب عبر الحواجز — وتسمى هذه الحيلة بالنفق الكمي.

كرة صغيرة كتلتها أجزاء من الملليغرام، معلقة في مجال مغناطيسي ومبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تؤدي اهتزازات متواصلة لمدة 110 ساعة دون توقف — وهذا مستوى قياسي من العزل عن البيئة الخارجية.

ضفتان فائقتا التوصيل تربطهما جسر من مادة مغناطيسية. داخل الجسر يوجد جدار المجال المغناطيسي: حد ضيق تنعطف عنده المغنطة كما ينعطف صف من الجنود عند تغيير اتجاه الخطوة. التيار الذي يمر عبر هذا الجسر لا يتصرف مثل نهر هادئ، بل مثل تيار يلتف حول عائق: فهو يلتف في حلقات ويغير شدته.

داخل الموصلات الفائقة النحاسية — وهي مواد توصل التيار بدون فقدان عند درجات حرارة مرتفعة بشكل غير متوقع — توجد طور خفي. يتصرف هذا الطور كمعدن عادي، لكنه لا يظهر في القياسات القياسية. جمع العلماء بيانات من جميع أنحاء العالم عن جميع الموصلات الفائقة النحاسية المعروفة ووجدوا أنه تحت درجة حرارة معينة (خط الفجوة الزائفة) تنتقل المادة دائمًا إلى هذه الحالة المعدنية الخفية.

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.

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.

الموصل الفائق الصغير، المحلق فوق مغناطيس، هو أشبه بقطعة فلّين على سطح محيط غير مرئي. أدنى هبة من المادة المظلمة تجعله يرتجف. نظر العلماء في نوعين من هذه 'الرياح'. الأول — الموجات الثقالية، التي تمدد وتضغط الفضاء نفسه، مثل تموجات في نسيج الكون. الثاني — هبات مغناطيسية تحرض تياراً مباشرة في الحساس المحلق.

تم تبريد بلورة يورانيوم بحجم حبة الأرز إلى خمسين جزءًا من الدرجة فوق الصفر المطلق. عند درجة الحرارة هذه، لا تنتقل الحرارة بشكل عشوائي، بل بدقة وفقًا لقواعد العالم الكمومي. وجّه العلماء الحرارة عبر العينة وراقبوا كيف تتوزع على المحاور المختلفة للبلورة — وهذا يشبه فحص الاتجاه الذي ينتشر فيه الماء بسرعة أكبر على ثنايا الورق.

المادة فائقة التوصيل العادية تطرد المجال المغناطيسي، لكن هذه الحلقة، على العكس، تولّد مجالًا مغناطيسيًا بداخلها. الحلقة مصنوعة من مادة Fe(Te,Se) — مركب من الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم، يفقد مقاومته الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

الموصل الفائق العادي عند تبريده يفقد مقاومته، ويسري التيار فيه دون فقدان. لكن في الأغشية فائقة الرقة، الأمر مختلف: تتأرجح المادة بين الحالة العادية والحالة فائقة التوصيل، وفي هذه المنطقة الوسطى تظهر موجات غريبة في المقاومة. المقاومة ترتفع وتنخفض، وكأن شخصًا ما يدير مقبض الصوت. في الموصل الفائق، يمكن للتيار أن يسري في حلقة إلى الأبد، مثل الماء في قناة مغلقة.

داخل بعض المواد، يتدفق التيار الكهربائي دون أدنى مقاومة. هذه هي الموصلات الفائقة، وهي تعمل فقط عند البرودة الشديدة. أكاسيد النحاس حالة خاصة: فهي تحافظ على التوصيل الفائق عند درجات حرارة أعلى، لكن السبب يظل لغزًا منذ أربعين عامًا. درس الفيزيائيون عينة من La$$_{2-x}$$Sr$$_x$$CuO$$_4$$ باستخدام شعاع أشعة سينية يشتت على الإلكترونات ويُظهر حركاتها الجماعية.

الموصل الفائق العادي يشبه صفًا من الجنود يسيرون في أزواج: تتحد الإلكترونات وتتجه سبيناتها (وهي «قمم دوارة» داخلية) في اتجاهين متعاكسين. المجال المغناطيسي يقلب هذه الأزواج بسهولة، مدمرًا خاصية التوصيل الفائق. في UTe₂ الأمر مختلف. هناك، أزواج الإلكترونات لها سبينات موجهة في نفس الاتجاه — مثل شريكي رقص يمسكان بأيدي بعضهما ويدوران بنفس الإيقاع.

الموصل الفائق يشبه مدينة يتوقف فيها الإلكترونات عن التزاحم ويبدأون في التحرك كأزواج، مثل أشخاص يسيرون يدا بيد. في نيكيلات النيوديميوم-سترونشيوم (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂)، يحدث هذا "الاستعراض" عند درجة حرارة حوالي 10 كلفن (أي 263 درجة مئوية تحت الصفر)، ولكن ليس بشكل موحد في كل مكان.

في مادة NaAlSi، تشكل الإلكترونات عند تبريدها تموجات عابرة - خطوط تظهر وتختفي، مثل نقش الماء بفعل الريح. تتشابك هذه الخطوط مع الموصلية الفائقة - حالة يتدفق فيها التيار دون مقاومة. عادةً، تتحد الإلكترونات في أزواج لها طاقة ترابط متساوية.

مرر تيارًا عبر تلامس بين موصل فائق ومغناطيس حديدي، وستسمع همس العالم الكمومي. في المختبر عند 0.3 كلفن، تحول هذا الهمس إلى زئير: الضوضاء الاندفاعية (shot noise) وهي ضوضاء كهربائية ناتجة عن تكميم الشحنة، كانت أعلى بمئة مرة مما تسمح به النظرية للتلامسات العادية.