سلك فائق التوصيل

فرن الميكروويف يسخّن الطعام، لكن في المختبر فعلت الموجات الميكروية شيئًا آخر: حوّلت الموصل الفائق إلى مغناطيس دائم. غشاء من أكسيد الإيتريوم-الباريوم-النحاس بسمك 300 نانومتر، مبرَّد إلى 80 كلفن، استجاب لإشعاع بتردد 5 غيغاهرتز.

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.

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.

مختبر الكم يشبه مطبخًا ينتظر فيه الطباخ يومًا كاملًا حتى يبرد الموقد. الكيوبتات فائقة التوصيل لا تعمل إلا عند درجات حرارة تبلغ أجزاء من المئة من الكلفن، وكل دورة «تبريد – قياس – تدفئة» تستهلك يومًا. مجموعة من المهندسين بنت ثلاجة بحجم البطيخة وكتلة 3 كجم تنجز المهمة في ساعتين. في الداخل، بدلًا من البرج المعتاد بالأنابيب، تصميم مقلوب: أبرد نقطة في الأعلى، والمراحل الدافئة في الأسفل.

داخل سندان ألماسي يضغط العينة بقوة تفوق الضغط الجوي بملايين المرات، يلتقي غشاء رقيق من اللانثانوم بالهيدروجين. يأتي الهيدروجين من أمين البوران (ammonia-borane) — مسحوق يُطلق هيدروجينه عند التسخين، مثلما تُطلق الإسفنجة الماء. خلال دقائق من التسخين بالليزر، يولد غشاء هيدريد اللانثانوم — مادة توصل الكهرباء دون مقاومة عند سالب 26 درجة مئوية.

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.

رقاقة دقيقة بحجم الظفر تطلق من الحرارة ما يعادل ما تطلقه مصباح صغير. تبديد هذه الحرارة يشبه محاولة إفراغ كوب من الشاي الساخن بملعقة صغيرة: فالمادة العازلة حول الترانزستورات عادةً ما تكون رديئة التوصيل للحرارة.

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.

شطيرة صغيرة من الأكاسيد، تُنمّى طبقة فوق طبقة، تصبح موصلة تمامًا عند درجة حرارة حوالي 200 درجة مئوية تحت الصفر. هذه ليست خدعة، بل فصل جديد في البحث عن مواد فائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية.

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.

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.

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%.

السلك الكمومي هو طريق سريع تندفع فيه الإلكترونات في تدفق كثيف. لكل إلكترون دوران داخلي خاص به — السبين — وكان يُعتقد حتى وقت قريب أن فصل هذا التدفق إلى مسارين، لدوران "أيسر" و"أيمن"، دون فقدان النظام الكمومي شبه مستحيل. كانت هناك حاجة إما إلى مغناطيسات قوية أو حيل معقدة مع فقدان الطاقة.

كعكة طبقية، كل طبقة فيها توصل الكهرباء بطريقتها الخاصة — هكذا تُبنى بلورة La3Ni2O7، مركب من النيكل واللانثانوم والأكسجين. التيار على طول الطبقات يسير بشكل مختلف عن التيار عبرها. الباحثون قاسوا مقاومة هذه المادة بدقة عالية، عاصرين إياها بسندان الألماس حتى ضغوط تصل إلى عشرات الآلاف من الأجواء.

في الموصلات الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتدفق دون مقاومة. عادةً، تكون هذه الأزواج موزعة بشكل منتظم، مثل الماء في بحيرة هادئة. لكن في بعض الأحيان، يظهر تموج في المادة — تتكاثف الأزواج وتتخلخل بخطوة محددة. هذه الحالة تُسمى موصلية فائقة بموجة كثافة الأزواج.

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.

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.

عائلة النيكلات هي بلورات طبقية تشبه كومة من الفطائر: طبقات النيكل والأكسجين تتناوب مع طبقات اللانثانوم. قبل عامين اكتُشف فيها الموصلية الفائقة — القدرة على توصيل التيار دون مقاومة عند التبريد. لكن بيانات المختبرات المختلفة تباينت وكأن كل مختبر يقيس مادة مختلفة. قررت مجموعة من الباحثين معرفة السبب.

تخيل ناطحة سحاب مبنية ليس من الطوب المنفرد، بل من شقق استوديو كاملة. هكذا تمامًا تتكون بلورة Au₆Te₁₂Se₈: عُقدها ليست ذرات، بل عناقيد ذرات فائقة من الذهب وعناصر الكالكوجين، والتي تتصرف ككائنات كمومية واحدة. في الشبكات الذرية العادية، تولد الحركة الجماعية للإلكترونات موجة طولية لكثافة الشحنة - ما يشبه 'الموجة' في المدرجات، حيث يقف الجمهور ويجلس بالتناوب.

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.

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.

في بعض المواد، يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق دون أي فقدان تقريبًا — وهذا هو الموصلية الفائقة. لكن قبل أن تصبح المادة موصلًا فائقًا، غالبًا ما تمر بحالة غريبة: الإلكترونات تشعر ببعضها البعض وتشكل أزواجًا، لكنها لا تستطيع التحرك معًا بعد. تسمى هذه المرحلة الفجوة الزائفة — وكأن المادة تجمدت في تردد قبل القفز.

باستخدام التحليل الطيفي بالليزر التحليل الطيفي — وهي طريقة يمكن تشبيهها بالاستماع إلى صدى البلورة: نبضة ضوئية تثير العينة، والاستجابة تكشف عن البنية الداخلية — درس الفيزيائيون مادة ذات طبقات.

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.

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.

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.

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.

حشد من الناس يستطيعون التحرك بحرية، لكنهم فجأة يبدأون في التصرف ككيان واحد — هكذا يمرر الموصل الفائق التيار دون مقاومة. في موصلات الكوبرات الفائقة (مواد أساسها النحاس والأكسجين) تتصرف هذه القدرة بشكل غريب: كثافة "السائل فائق السيولة" الذي ينقل التيار تزداد أولاً مع إضافة حاملات الشحنة (doping)، ثم تنخفض. وكأن الحشد يصبح أكثر تماسكًا، ثم يتفرق فجأة.

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.

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.

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.

البلورة كالمدينة: إذا كانت الشوارع معوجة، تتعطل الحركة. في البلورة، تلعب الصفوف الذرية دور الشوارع، والحركة هي تدفق الإلكترونات. أي تفاوت بسيط، أو شائبة، أو إزاحة ذرة يجعل الإلكترونات تتبعثر. تعلم علماء من عدة مختبرات زراعة بلورات بحيث تصبح "الشوارع" مستقيمة بشكل شبه مثالي. الطريقة تسمى النقل الأفقي للمادة. تُنقل المادة ببطء على طول السطح، وتتاح للذرات فرصة لاحتلال أماكنها الصحيحة.

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.

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.

حلبة الرقص ممتلئة بأشخاص يتحركون كلٌّ على حدة. فجأة ينقسم بعضهم إلى أزواج — يدورون معاً تقريباً دون أن يلاحظوا جيرانهم، بينما يصطف الباقون في سلاسل. هذا تقريباً ما تفعله الذرات في معدن CsCr₃Sb₅ — أحد ممثلي معادن الكاغومي (Kagome metals)، التي تشبه شبكتها البلورية سلة منسوجة. عند التبريد تنشأ في هذه المادة موجة كثافة شحنة — حيث تتذبذب الإلكترونات والذرات بشكل متزامن، مكوّنة نمطاً منتظماً.

حافلة مكتظة، حيث كل راكب هو إلكترون. في الموصل الفائق، يتحد الركاب في أزواج ويتحركون بتناغم دون فقدان للطاقة. لكن في الموصلات الفائقة ذات الحرارة العالية، مثل الكوبرات (cuprates)، تعمل هذه الصورة المثالية فقط عند إضافة ركاب إضافيين. أما إذا أنزلنا بعض الركاب، تبدأ الأزواج في التصرف بغرابة. قام مؤلفو العمل برسم خريطة للحالات لنموذج هوبارد.

الموصل الفائق هو مادة تفقد مقاومتها الكهربائية عند التبريد الشديد: يمر التيار فيها دون فقدان. أخذ العلماء بلورة طبقية من PdTe2، تشبه كومة من أوراق، وبرّدوها إلى درجة حرارة أقل من 1.8 كلفن (أي حوالي -271°م). في هذه الظروف يصبح PdTe2 موصلًا فائقًا.