جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل

في غرفة هادئة لا يوجد فيها أي مغناطيس، لا يزال إلكترونان في مصيدة سيليكونية يشعران بارتعاش خفيف. هذا الارتعاش تخلقه نوى ذرات السيليكون والجرمانيوم، التي تدور بشكل عشوائي مثل إبر البوصلات المكسورة. في الماضي، كان يُعتبر هذا الارتعاش عائقًا، لكنه الآن أصبح أداة قياس بحد ذاته. قام فيزيائيون من مختبرات HRL بتصنيع جهاز يحتوي على ست نقاط كمومية، لكنهم استخدموا نقطتين فقط، تُعرفان بـ P5 وP6.

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.

جسر يسير عليه المشاة وراكبو الدراجات في تدفق واحد دون أن يعيق أحدهم الآخر. هذا هو تقريبًا مبدأ عمل الأنظمة الهجينة من الموصلات الفائقة وأشباه الموصلات: بعضها ينقل التيار دون فقدان، والبعض الآخر يتحكم في هذا التيار. ولكن لبناء مثل هذا الجسر، نحتاج إلى موصل فائق لا يخاف المجالات المغناطيسية القوية ولا يدمر القاعدة شبه الموصلة الهشة أثناء التصنيع.

في غرفة مظلمة، بالكاد يُسمع همس. لتمييز الكلمات، عليك الاقتراب كثيرًا — أو نصب العديد من الميكروفونات الحساسة. هذا تقريبًا ما يفكر فيه مؤلفو العمل الجديد: يضعون «آذانًا» كمية داخل الرنان نفسه، حيث تتحول الموجة الثقالية عالية التردد إلى صدى كهرومغناطيسي.

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.

لا تزال المادة المظلمة تفلت من المراقبة المباشرة، رغم أن جاذبيتها تمسك المجرات معًا. إحدى الفرضيات: أنها تتكون من أكسيونات — جسيمات خفيفة جدًا تنبأت بها النظرية. ميزتها: في حقل مغناطيسي قوي، يمكن للأكسيون أن يتحول للحظة إلى فوتون — ومضة ضوء صغيرة.

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.

المجال المغناطيسي لا يخترق الموصل الفائق كتدفق متصل، بل على شكل خيوط رفيعة تُعرف بالدوامات. عادةً ما تتنافر هذه الدوامات وتترتب في شبكة مثلثية منتظمة، مثل العوامات على سطح الماء. لكن في CaSb₂ سارت الأمور بشكل مختلف: تجمّعت الدوامات في كتل متلاصقة، تاركة بينها فراغات شبه خالية.

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.

يتصرف الغاز فائق السيولة كسائل بلا احتكاك. ترتبط سحابتان من هذا الغاز بجسر ضيق، ويتدفق عبره تيار من الجسيمات. هذا يشبه تأثير جوزيفسون في الموصلات الفائقة، لكن بدل الإلكترونات توجد ذرات متعادلة. في الموصل الفائق، يُنشئ المجال المغناطيسي نمطًا من قيم قصوى ودنيا للتيار — مثل أشرطة ضوئية وداكنة من مصباح شارع عبر الستائر.

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.

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.

الهمس في غرفة صاخبة يكاد لا يُسمع. فالمضخم العادي يضيف ضوضاءه الخاصة ويطغى على الصوت الضعيف. أما المضخم الكمومي فيعمل بشكل مختلف: فهو يضخم الإشارة دون إضافة ضوضاء تذكر، وكأنه أذن مثالية. ولكن حتى هذه الأذن تواجه مشاكلها الخاصة.

الماء في الغلاية يغلي عند مئة درجة، لكن إذا ضغطته بشدة فسيتصرف بشكل مختلف. تقريبًا بنفس الطريقة، الكواركات والغلوونات — اللبنات التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات — تغير خصائصها في مجال مغناطيسي قوي. تنشأ مثل هذه المجالات عند تصادم الأنوية الثقيلة في المسرعات، ويمكن أن تخبرنا عن كيفية تكوين المادة في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

ترانزستور القدرة المصنوع من كربيد السيليكون يعمل تحت جهد أعلى بآلاف المرات من جهد المقبس المنزلي. إذا توزع المجال داخله بشكل غير متساوٍ، فقد يحترق الجهاز. في السابق لم يكن بالإمكان رؤية هذا المجال: فهو قوي جدًا بالنسبة للمستشعرات العادية، ويجب أن يظل الجهاز تحت الجهد أثناء القياس. الآن تم العثور في البلورة على جاسوس صغير — عيب يتوهج استجابةً للمجال.

يشبه المستشعر العادي فائق الحساسية للمجال المغناطيسي ميزانًا يبدأ في الكذب إذا وضعت عليه ثقلًا ثقيلًا جدًا. تصبح الإشارة الصادرة عنه منحرفة، ويضطر المرء إلى إضافة إلكترونيات معقدة لتقويم القراءات. وهذه الإلكترونيات تُحدث ضجيجًا وتعيق العمل السريع. أما المستشعر الجديد — ثنائي-سكويبت — فمصمم بشكل مختلف.

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.

كرة مغناطيسية معلقة في الفراغ فوق لوح معدني بارد. لا خيوط ولا حوامل — فقط مجال غير مرئي من الموصل الفائق يمنعها من السقوط. إذا دفعت الكرة قليلًا، ستبدأ في الاهتزاز صعودًا وهبوطًا، ويعتمد تردد هذه الاهتزازات على مدى قوة جذب اللوح لها. هكذا يعمل مستشعر القوة الجديد.

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.

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.

تعد الحواسيب الكمومية بوصف دقيق للجزيئات، لكن مشكلتها الرئيسية هي الضوضاء. فكل كيوبت إضافي وكل عملية إضافية تضيف أخطاءً. ابتكر الكيميائيون والفيزيائيون طريقة لحساب الجزيئات بنصف عدد الكيوبتات: طريقة HSQD. فهي تأخذ عينة كمومية — مثل عينة تربة من بئر — وترسلها إلى حاسوب تقليدي لمعالجتها بدقة.

المفتاح الكهربائي العادي يُحدث نقرة – فيمر التيار أو لا يمر. والآن، هناك مادة تتبدل بنفسها بين "نقل بلا فقدان" و"مقاومة" تحت تأثير مغناطيس. هذه هي الشطيرة التي صنعها الفيزيائيون: غشاء رقيق من الرصاص موضوع على موصل فائق من البزموت والسترونشيوم والكالسيوم والنحاس والأكسجين. بين الطبقتين نمت تلقائيًا طبقة رقيقة جدًا من أكسيد الرصاص – وهي عازل.

في مستقبل تلسكوب موجّه نحو أقدم توهج في الكون، توجد صفيحة صغيرة تعمل كمقياس حرارة. إنها حساسة للغاية لدرجة أن حرارة فوتون واحد يمكن أن تُسخّنها بشكل ملحوظ. ولكن لسماع هذا الهمس الحراري، نحتاج إلى وسيط — مضخم لا يضيف ضجيجًا خاصًا به. أصبح هذا الوسيط عبارة عن سلسلة من مرحلتين من الحلقات فائقة التوصيل — أجهزة SQUID.

كاشف الفوتونات المفردة فائق التوصيل يشبه وترًا مشدودًا في الظلام. عندما يصطدم به فوتون واحد فقط، يفقد الوتر خاصية التوصيل الفائق للحظات — ونسمع نقرة. لكن حتى الآن، كان الوتر دائمًا غير مضبوط: كان الكاشف يعمل بشكل أسوأ مما تسمح به المادة. السبب هو التوزيع غير المتساوي للتيار عبر عرض الكاشف. لا يتدفق التيار بالتساوي، بل يتركز عند الحواف، تاركًا الوسط أقل حساسية.

نجمان يدوران في مدارين متقاربين لدرجة أن طبقاتهما الخارجية تندمج في غلاف مشترك. تتدفق المادة من أحدهما إلى الآخر، مثل الماء الفائض من كوب ممتلئ إلى الكوب المجاور. في هذه الرقصة الكونية، حيث تلامس النجوم بعضها حرفيًا، اكتشف علماء الفلك مجالات مغناطيسية بشكل جماعي لأول مرة.

في غرفة مظلمة، تتوهج ألماسة صغيرة باللون الأحمر عند تسليط ليزر أخضر عليها. هذا الضوء ليس للزينة بل هو إشارة: يتغير سطوعه إذا كان هناك مجال مغناطيسي قريب. تحتوي الألماسة على عيوب — ذرات نيتروجين بجوار خلية فارغة. إنها مثل إبر حساسة تدور تحت تأثير المغناطيس. لكي لا تهتز هذه الإبر بسبب الصدمات العشوائية، توضع داخل رنان — تجويف صغير يرتد فيه الضوء بين المرايا.

القياسات الدقيقة لقوة الجاذبية ضرورية لكل من الجيولوجيين والملاحين. لكن مقاييس الجاذبية التقليدية أجهزة ضخمة تحتاج وقتًا طويلاً "للاستقرار" بعد كل قياس. وماذا لو احتجنا لمراقبة التغيرات السريعة في الجاذبية، مثلًا أثناء التحرك تحت الأرض أو في الجو؟ هنا نحتاج إلى جهاز صغير وسريع الاستجابة. يقترح مؤلفو المقال تجميع مثل هذا الجهاز على شريحة واحدة.

الدائرة فائقة التوصيل تشبه أرجوحة بلا احتكاك، لا تتحقق إلا عند درجات حرارة الهيليوم السائل (-273 درجة مئوية). في هذا البرد، يجري التيار الكهربائي في حلقة دون أن يخفت، محافظًا على إيقاعه. الملف المغناطيسي، بتمريره تيارًا ضئيلاً، يعمل كنسمة هواء قادرة على تغيير طول الحبال الوهمية: يتغير الإيقاع بشكل حاد وكأن أرجوحة بطول متر تصبح لعبة صغيرة.

الفراغ خادع. ويليام أونرو أظهر أن المراقب المتسارع يشعر بالفراغ ساخنًا. التأثير يشبه ولادة الجسيمات عند الثقوب السوداء، التي تنبأ بها ستيفن هوكينغ، لكن بدلاً من انحناء الفضاء يعمل التسارع. ومع ذلك، بالنسبة للجسيمات الضخمة — مثل الإلكترونات — الحرارة مكتومة: مثل محاولة سماع صوت وتر سميك.

تتصرف سلسلة من الذرات على رقاقة موصلة للضوء مثل صف من البندولات على عارضة مشتركة: عند التأرجح في اتجاهين متعاكسين، لا تنقل هذه البندولات تقريباً أية طاقة إلى الهواء وتظل ساكنة لفترة طويلة. عندما تصبح المسافة بين الذرات أقل من طول موجة الضوء (وهذا يحدده سرعة الضوء)، تبدأ في إخماد إشعاع بعضها البعض بشكل جماعي. تنشأ حالة تحت إشعاعية — 'هادئة' — حيث تبدو الذرات وكأنها تتوقف عن الإضاءة.

وفقًا لنظرية أينشتاين، فإن دوران الأرض يجرّ معه الزمكان نفسه — ويُعرف هذا التأثير بجرّ الأطر المرجعية بالقصور الذاتي، أو تأثير لينز-ثيرينغ. تخيّل: جسم ضخم، مثل ملعقة في عسل كثيف، يلفّ نسيج الزمكان حوله.

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.

في مختبر جيفرسون، تُسرَّع الإلكترونات إلى 12 GeV وتصطدم بالبروتونات لانتزاع أسرارها. لكن الكواشف الحالية تشبه كاميرات ذات مجال رؤية ضيق: إما أن ترى الكثير ولكن بشكل باهت، أو ترى بوضوح ولكن جزءًا صغيرًا جدًا. التشتت الإلكتروني هو الأداة الرئيسية، لكن الإحصائيات غير كافية للتأثيرات الدقيقة. المطياف الجديد SoLID (Solenoidal Large Intensity Device) يغير قواعد اللعبة.