مغناطيس فائق التوصيل

في قاعة كبيرة، تقف شوكتان ضبطيتان على حاملين دوارين. كل واحدة مضبوطة على نغمة معينة، لكن إذا أُدير الحاملان بالزاوية المناسبة، تبدأ الشوكتان بالعزف بتناغم، متبادلتين الاهتزازات عبر الهواء. في تجربة من مختبر التقنيات الكمومية، لعب دور الشوكتين شريطان من البيرمالوي، وهي سبيكة من النيكل والحديد يسهل مغنطتها وإزالة مغنطتها.

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.

يتدفق التيار في المعدن العادي مثل حشد من الناس في شارع مستقيم: كل إلكترون مستقل بذاته، وإذا تم تطبيق مجال مغناطيسي، ينزاح الحشد كله قليلاً إلى الجانب. يُسمى هذا الانزياح تأثير هول. لكن في "المعادن الغريبة" — المواد التي تتصرف فيها الإلكترونات ليس كجسيمات منفصلة بل ككل واحد — تنهار الصورة. في هذا العمل، درس الباحثون الموصل الفائق BaFe2(As1-xPx)2 بتغيير نسبة الفوسفور x.

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.

الهيكل المغناطيسي لبلورة EuMnSb2 يشبه السقالات: ذرات المنغنيز تشكل أعمدة رأسية صلبة، بينما ذرات اليوروبيوم تشكل عوارض متحركة. حتى الآن لم يكن هناك إجماع حول الزاوية التي تميل بها هذه العوارض في حالة السكون، وكيف تدور عندما يضغط المجال المغناطيسي على السقالات. الطرق التقليدية لم تعطِ إجابة دقيقة: ذرات اليوروبيوم تمتص النيوترونات بشدة، والإشارة تغرق في الضوضاء.

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.

داخل مغناطيس جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، يتدفق التيار في حلقة فائقة التوصيل مغلقة — مثل الماء الذي يدور في دائرة داخل دلو، بعد أن يُلف ليستمر في الجريان من تلقاء نفسه.

يجب أن يكون المجال المغناطيسي في هذا الجهاز متجانسًا بشكل استثنائي — أملس مثل سطح زجاج مثالي: فأدنى تموج سيطمس الإشارة المفيدة. جمع المهندسون ملفين يعوض كل منهما مجال الآخر من الخارج، وغلّفوهما بثلاث طبقات من الألواح المغناطيسية الحديدية. في الداخل، حصلوا على حجم عمل يبلغ مترًا في أربعة سنتيمترات، حيث يتغير المجال بأقل من جزء من مليار من التسلا.

جهاز استقبال راديوي بحجم كف اليد قادر على قياس قوة الإشارة بدقة تفوق مناضد المختبرات باهظة الثمن. لا توجد بداخله ملفات ولا هوائيات — فقط رأس زجاجي وسحابة من ذرات الروبيديوم مُبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تطفو الذرات في نقطة تقاطع أشعة الليزر، محتجزةً ليس بالمغناطيس بل بقوة الضوء — مثل ذبابة صغيرة في قطرة شراب.

الموصل الفائق يشبه سلكًا مثاليًا — يمر فيه التيار دون أي فقد. لكنه يتطلب تبريدًا شديدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن عن مواد تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق هو ألا ننتظر الطبيعة، بل أن نبني المادة بأنفسنا، طبقة فوق طبقة، مثل لعبة التركيب. اختبرت مجموعة من الباحثين نظرية تنبأت بظهور «قبة» فائقة التوصيل في بنى طبقية اصطناعية.

أرضية خشبية (باركيه) حيث كل لوح ثانٍ مُدار في الاتجاه المعاكس تبدو متناظرة. لكن إذا مررت يدك، ففي اتجاه واحد تنزلق أصابعك مع الألياف، وفي الاتجاه الآخر تتعثر. بهذه الطريقة تقريبًا يعمل نوع جديد من المغناطيسية تمت دراسته في بلورة AgCrP2S6. في هذه المادة الطبقية، تصطف ذرات الكروم في سلاسل طويلة — مثل خيوط الخرز.

صفحتان من سيلينيد التنجستن — ليستا من الكربون، بل من مركب التنجستن مع السيلينيوم — تُدوران بالنسبة لبعضهما بزاوية صغيرة جدًا، حوالي 5 درجات. ينشأ نمط مواريه: شبكة دورية مكبرة، حيث تتصرف الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية. مؤخرًا، وُجدت موصلية فائقة في هذه الطبقات الملتوية.

ملف تسلا يطلق شرارات، ويبدأ شعاع الضوء بالدوران حوله. المادة التي يمر عبرها لا تزال مستقرة — لكن المجال يزداد، ويزداد الدوران. هذه ليست خدعة، بل سلوك مواد خاصة: فهي تربط الكهرباء والمغناطيسية. لهذا الارتباط حد أساسي — حد تيليجين. إذا تم تجاوزه، تفقد المادة استقرارها الكهرومغناطيسي. كان يُعتقد سابقًا أن هذا الحد محدد بشكل صارم بخصائص المادة نفسها.

عادةً لا يتوافق الموصل الفائق مع المغناطيس: فالمجال القوي يدمر الحالة التي يمر فيها التيار دون مقاومة. لكن في الطبقات الرقيقة من الكربون، الأمور مختلفة.

تلتقط عشرات الملفات النحاسية في الماسح الضوئي استجابة ضعيفة من الأنسجة، مثل ميكروفونات تحاول سماع همس في قاعة صاخبة. كل ميكروفون يسحب خلفه حزمة سميكة من الأسلاك. تضغط الأسلاك على بعضها البعض، وتسبب تداخلاً كهربائياً، وتسخن، وتضيف خطراً على المريض. اقترحت مجموعة من الباحثين استبدال "كتلة النحاس" بألياف بصرية.

يحمل المجال المغناطيسي جسيمًا مجهريًا في حالة معلقة، وكأنه شريك غير مرئي في رقصة. يشكل التكوين الخاص للمجال مصيدة ذات «موضعين» مستقرين — وهما حفرتا جهد. في الفيزياء الكلاسيكية، يشغل الراقص واحدة فقط منهما، لكن في العالم الكمومي يمكن للجسيم أن يتواجد في كلتيهما في آن واحد — وهذه الظاهرة تسمى التراكب الكمومي.

الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي خصمان أزليان: يندفع المجال كإعصار يمزق التزاوج الرقيق لأزواج كوبر، ويدمر النظام. لكن في المواد ذات الترابطات الإلكترونية القوية، حيث ترقص الجسيمات وكأنها في مينويت معقد من التجاذب والتنافر، تتحول العداوة أحيانًا إلى تحالف. وهذا بالضبط ما يحدث في بلورة ثنائي تيلوريد اليورانيوم UTe2.

في داخل البلورة، تنطلق سيمفونية خفية: العزوم المغناطيسية للذرات، مثل عازفين في أوركسترا، تتوافق تارة في انسجام، وتتناثر تارة أخرى في تنافر. يقود هذه القيادةَ التبادلُ الكمومي — موسيقى حساسة لهندسة الروابط. وفق قواعد غودينف-كاناموري-أندرسون، تحدد الزاوية M–X–M بين الأيون المغناطيسي والربيطة والأيون المغناطيسي المجاور ما إذا كانت السبينات تتجه في اتجاه واحد أم تتفرق.

مقلاة ضيقة وطويلة — وتبقى فطيرة رقيقة عليها بخطوط غير منتظمة. لعقود، رأى العلماء صورة مشابهة عندما قاموا بنمذجة سلوك الإلكترونات في الموصلات الفائقة — المواد التي توصل التيار دون فقدان. استخدموا «أسطوانات» ممدودة، وكانت النتيجة دائمًا واحدة: «أشرطة» مغناطيسية صلبة، يُعتقد أنها تعيق الموصلية الفائقة.

مغناطيسان على طاولة إما يتجاذبان أو يتنافران - اعتمادًا على اتجاه قطبيهما. داخل كل قطعة تختبئ مناطق صغيرة جدًا تتجه فيها جميع الأسهم المغناطيسية في اتجاه واحد. تسمى هذه المناطق بالمجالات المغناطيسية (magnetic domains)، ويعتمد سلوك المادة في الدائرة الكهربائية على ترتيبها. في المغناطيسية البديلة (altermagnets) - وهي فئة جديدة من المواد - تكون المجالات أكثر تعقيدًا.

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.

حلبة الرقص مليئة بالأزواج التي تدور في رقصة الفالس. عادةً، يتحرك الشريكان في اتجاهين متعاكسين: أحدهما يخطو للأمام والآخر للخلف للحفاظ على الإيقاع العام. في الموصلات الفائقة، تشكل الإلكترونات أيضاً أزواجاً، وحركتها تشبه هذه الرقصة: السبينات (العزوم المغناطيسية الذاتية) تشير في اتجاهات مختلفة، والعزوم المدارية (التي تصف الدوران حول النواة) تعوّض بعضها البعض.

إذا ألقيت حفنة من العملات المعدنية على طاولة، فستستقر عشوائيًا. لكن في بعض البلورات، تصطف الذرات في نمط يشبه السلة المنسوجة — شبكة كاغومي (kagome lattice). في معدن MgMn₆Sn₆ تشكل ذرات المنغنيز هذه الشبكة، وعند درجة حرارة الغرفة تعمل كإبر مغناطيسية صغيرة.

طبقتان رفيعتان كالورق من مادة شبه موصلة توضعان فوق بعضهما وتُلفان قليلاً — بزاوية تتراوح بين ثلاث وأربع درجات. الشبكات الذرية لا تتطابق، وينشأ نمط كبير — نمط موريه (moiré)، يشبه تموجات لوحين للغسيل مزيحين بزاوية صغيرة. في هذا النمط، تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية.

طابور من الأشخاص يمسكون بأيدي بعضهم البعض لكنهم ينظرون في اتجاهات مختلفة: بعضهم نحو الشمال، وآخرون نحو الجنوب. هكذا يُبنى المغناطيس الموجي من النوع p. فالإلكترونات فيه ترتب عزومها المغناطيسية (لفاتها) ليس بشكل عشوائي، بل بنمط موجي صارم.

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.

القياسات المغناطيسية العادية ترى فقط سطح فائق التوصيل، حيث تعيق الحواجز والتدفقات اللزجة للمجال المغناطيسي. أما في الداخل، في ما يسمى بالحالة الوسيطة، تتعايش نطاقات فائقة التوصيل ونطاقات عادية، تفصل بينها جدران رقيقة. يمكن لهذه الجدران أن تتذبذب، لكن كان من الصعب سماعها مباشرة.

عازف الطبول يضرب الإيقاع، وجلد الطبل يهتز على وقع الضربات. إذا ضربت بسرعة كافية، تتراكب الاهتزازات وتظهر في المركز منطقة شبه ثابتة — عقدة. تأثير مشابه يحدث مع الموجات الدقيقة في مادة تتغير خصائصها مع الزمن. عندما تدخل التغيرات في رنين مع الموجة، يتجمد حركتها. يظهر فجوة — نطاق كامل من الزخم لا يمكن للموجة أن تنتشر فيه لا إلى الأمام ولا إلى الخلف.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

المغناطيس العادي على باب الثلاجة يجذب الحديد لأن جميع الإبر المغناطيسية الصغيرة داخله تصطف في اتجاه واحد. لكن توجد مواد تصطف فيها الإبر بشكل أكثر تعقيدًا: الصفوف المتجاورة تشير في اتجاهين متعاكسين، ومن الخارج يبدو وكأن المغناطيسية غائبة. وقد أُطلق على هذه المواد اسم المغناطيسات البديلة (alternmagnets).

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.

في نقطة مغناطيسية متناهية الصغر، أصغر من ميكرون، تعيش دوامة — المغنطة ملتفة مثل الماء في قمع. في مركز هذا القمع يوجد قلب يدور في مدار صغير، كأنه قمة دوّارة دُفعت. إذا وجّهت إشارة ميكروويف إلى هذه النقطة، تستجيب الدوامة بتذبذب على تردد واحد — مثل وتر يُنقر بقوس. لكن إذا أزحت قلب الدوامة عن مكانه المعتاد بمجال مغناطيسي، يتغير السلوك.

ثمانية عمالقة حمراء — نجوم قديمة منتفخة تشبه شمسنا في المستقبل — تتصرف بشكل غير متوقع. سطحها يهتز بإيقاع منتظم كالجرس، لكن في هذا الرنين تُسمع اضطرابات: بعض النغمات تختفي، والإيقاع ينكسر. اشتبه العلماء في وجود يد خفية في الداخل — مجال مغناطيسي — وحاولوا حساب قوته. يعمل المجال المغناطيسي في نواة النجم كزنبرك غير مرئي: يمنع الموجات من الانتشار بحرية ويغير نغمتها.

مغناطيس صغير، مبني من جزيئين فقط، استقر على سطح معدن — وتصرف كقائد أوركسترا متقلب. عادةً، تتحرك الإلكترونات في المعدن بتناسق، مثل حشد على سلم متحرك. لكن عند التبريد الشديد، ينهار هذا النظام، وتصبح الحركة غير متوقعة. هذا بالضبط ما تم رصده في التجربة الجديدة. التقلبات العشوائية في اللف المغزلي للجزيء تجعل إلكترونات المعدن تعيد ترتيب نفسها.

إبرة البوصلة المغناطيسية تدور ببطء، لكن داخل بعض المواد، يمكن للعزوم المغناطيسية الصغيرة أن تنقلب في أزمنة يصعب تصورها. قامت مجموعة من الفيزيائيين بحساب كيفية جعلها تغير اتجاهها في جزء من مليون من جزء من مليار من الثانية. وهذا أسرع من ومضة مصباح. على سبيل المثال، أخذوا مادة Mn3Sn — وهي معدن حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات مصفوفة ليس بشكل متوازٍ بل بزاوية، مشكلة نمطًا مثلثيًا معقدًا.

حزمة الإلكترونات في المسرّع تشبه سربًا من الطيور: تطير في مجموعة متماسكة، لكنها مع الوقت تتفرق. عادةً، لإبقاء الجسيمات معًا، تُستخدم مغناطيسات ثقيلة. هنا استغنوا عنها — الحزمة ضغطت نفسها بنفسها. في تجربة على منشأة FACET-II، تم تمرير حزمة من 10 مليارات إلكترون (شحنة 1 nC) بطاقة 10 GeV عبر كومة من رقائق معدنية رقيقة. عندما تمر الحزمة عبر الرقاقة، ينعكس مجالها المغناطيسي عنها ويعود إليها.

الموصل الفائق هو مادة توصل التيار دون فقدان، لكن فقط عند درجة حرارة منخفضة جدًا. وُضعت فوق هذه المادة طبقة رقيقة من مادة مغناطيسية بسماكة ذرة واحدة. المغناطيسية والموصلية الفائقة عادة لا تتفقان، وكان الفيزيائيون يأملون رؤية شيء غير عادي عند الحدود بين المادتين.

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.

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.

في بلورة من اليوروبيوم والزنك والفوسفور، يسلك التيار سلوك سيارة على طريق وعر. فالإلكترونات لا تندفع بحرية، بل تسحب خلفها سُحبًا مغناطيسية تُعرف بالبولارونات. في درجة حرارة الغرفة، تكون هذه السُحب متفرقة، لكن عند التبريد تندمج في كتلة متصلة، مما يبطئ التيار بشكل حاد.