الموصلية الفائقة

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.

طبقة رقيقة من زرنيخيد الإنديوم مخبأة تحت غشاء فائق التوصيل، كصوت تحت ضجيج حشد. التيار في مثل هذا الهجين يختار المسار الأقل مقاومة، فيتدفق معظمه عبر المعدن، لذا يظل أشباه الموصلات غير مسموع للأجهزة التقليدية. لكن عند تشغيل مجال مغناطيسي قوي، تستيقظ في الطبقة المخفية تذبذبات كمومية، وهي تموجات دورية في المقاومة تشبه التنفس الإيقاعي. وهذا الهمس هو ما أمكن التقاطه.

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.

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.

المترجم في قاعة المحكمة يجب أن ينقل كل كلمة دون أن يشتت انتباهه بضوضاء القاعة. في العالم الكمومي، يلعب الرنان فائق التوصيل دور هذا المترجم، إذ يجب أن يفقد الفوتونات وفق جدول زمني صارم، دون أن ينحرف بتأثيرات دخيلة. سابقًا، كان يُستخدم الضخ الميكروويفي، لكنه هو نفسه كان يسبب تشويشًا، كما لو أن المترجم بدأ يصرخ بتعليقات الجمهور. الآن وجد العلماء طريقة أكثر هدوءًا.

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.

غشاء رقيق من نيتريد الزركونيوم يستقر على ركيزة من أكسيد المغنيسيوم. سمكه عشرا ميكرون، مثل خيط العنكبوت، لكن داخله تغلي حياة كمية. عند التبريد إلى نصف كلفن، لا تختفي الموصلية الفائقة فيه فجأة: بل تتفكك إلى جزر نادرة لا تزال صامدة وسط الفوضى. هذه الفوضى تسببها فراغات الزركونيوم وذرات النيتروجين الزائدة.

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.

الموصل الفائق هو مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان، تمامًا كالماء الجاري في أنبوب أملس تمامًا. في الموصلات الفائقة النحاسية، المعروفة باسم الكوبرات (cuprates)، تعمل الإضافات الدقيقة من الأكسجين كمقبض للتحكم في الصوت: زيادة طفيفة تجعل المادة تنتقل إلى حالة التوصيل الفائق، ونقصان طفيف يفقدها هذه الخاصية.

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.

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.

في غشاء رقيق من الكوبالت والحديد، مُرسَب على ركيزة من السيليكون، تتشكل دوامة مغناطيسية صغيرة جدًا — بنية شبيهة بالسكيرميون تُسمى القطرة المغناطيسية. لا تتبدد هذه الدوامة، بل تبقى محتجزة في مكانها، مثل قطرة زيت على مقلاة ساخنة، حيث يلعب التيار الكهربائي دور الحرارة، والذي يمر عبر برزخ ضيق عرضه حوالي مئة ذرة.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. لكن إذا ضغطته قليلاً، مثل الزنبرك، تتغير خصائصه. لطالما أراد العلماء قياس كمية الحرارة التي تمتصها هذه المادة المضغوطة، لكن الأجهزة لم تكن تتسع في الجهاز الضيق. الآن توصلوا إلى طريقة لتجاوز هذه العقبة.

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.

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.

إذا مررنا تيارًا كهربائيًا عبر موصلين ملحومين معًا، فإن نقطة اللحام تسخن أو تبرد — وهذا هو تأثير بلتييه (Peltier effect)، الذي تعمل به ثلاجات السيارات. لكن في التجربة الجديدة لم يكن هناك لحام ولا تيار عبر الحدود: قطعة من معدن متجانس كانت فقط موضوعة بجوار بلورة من عازل كهربائي حديدي (مادة تكون فيها الشحنات الكهربائية منزاحة مثل إبر البوصلة).

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.

يعمل المجال المغناطيسي في الكهرباء الحرارية عادةً كمرور صارم: لكي تتحول الحرارة إلى كهرباء، يجب أن يكون المجال موجهًا عرضيًا لتدفق الحرارة. إذا كان المجال على طول تدفق الحرارة، يختفي التأثير — هكذا كان يُعتقد لعقود. هذا القيد ينبع من الصورة الكلاسيكية لتأثير نيرنست، حيث يكون المجال العرضي ضروريًا لفصل الشحنات.

الموصل الفائق يطرد المجال المغناطيسي، مثلما تعصر الإسفنجة الماء. تأثير مايسنر (Meissner effect) معروف منذ ما يقرب من قرن، لكنه يُدرس عادةً في زمكان مسطح — دون أخذ الجاذبية في الاعتبار. في مجال جاذبية قوي، مثلًا بالقرب من ثقب أسود، أو عند سرعات نسبية، تتغير الصورة.

الموصل الفائق يطرد المجال المغناطيسي، مثلما تعصر الإسفنجة الماء. تأثير مايسنر (Meissner effect) معروف منذ ما يقرب من قرن، لكنه يُدرس عادةً في زمكان مسطح — دون أخذ الجاذبية في الاعتبار. في مجال جاذبية قوي، مثلًا بالقرب من ثقب أسود، أو عند سرعات نسبية، تتغير الصورة.

طبقتان من الغرافين — وهما أنحف طبقات الكربون بسماكة ذرة واحدة — موضوعتان كخبز الساندويتش. بينهما طبقة ممغنطة من CrSBr (بروموكبريتيد الكروم). عندما يمر تيار كهربائي عبر هذه الشطيرة، تعتمد المقاومة على اتجاه العزوم المغناطيسية في الطبقة الوسطى.

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.

مغناطيس يزن بضع حبات رمل يطفو في الهواء دون أي سند. لا يلمس الجدران، ولا يحتك بالمحامل، بل يعلق في مصيدة مغناطيسية مثل ذرة غبار في شعاع الشمس. جعل الباحثون هذه الذرة تعمل كبوصلة فائقة الحساسية: يلتقط الجهاز تغيرات في المجال المغناطيسي تبلغ 23 فيمتو تسلا.

أنبوب الماء: كلما كان أوسع، مرّت كمية أكبر من الماء. وفي التلامسات فائقة التوصيل — وصلات جوزيفسون (جسور يمر عبرها التيار دون مقاومة) — الأمر عادةً كذلك: كلما كانت الموصلية أفضل في الحالة العادية، كان التيار فائق التوصيل المار عبرها أكبر.

تخيل منزلًا بجدران من الفلين، وعندما يحل البرد يُغطى فجأة بصفائح نحاسية. هذا تقريبًا ما يفعله مركب FeSb₂ عندما يُشكَّل على هيئة غشاء بسمك بضع طبقات ذرية فقط. في الظروف العادية، هو عازل ضيق النطاق: الإلكترونات فيه محصورة، مثل جمهور في قاعة مكتظة، غير قادرة على التحرك بحرية.

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.

عند درجات حرارة منخفضة، تصبح العديد من المواد موصلات فائقة — حيث يتدفق التيار الكهربائي دون مقاومة. ولكن كيف ينشأ هذا السلوك إذا كانت الإلكترونات محبوسة في البداية في عازل؟ قبل نصف قرن، افترض فيليب أندرسون أن الإجابة تكمن في رقصة كمومية خاصة للجسيمات.

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 البلورة الطبقية La₃Ni₂O₇ تحت الضغط مثل أوركسترا يغير قائدها مستوى صوت مجموعات الآلات المختلفة. مع الانضغاط، يزداد قفز الإلكترونات بين الطبقات — ويبدو أن هذا يجب أن يعزز الموصلية الفائقة — الحالة التي يتدفق فيها التيار الكهربائي دون مقاومة. لكن في الوقت نفسه، يصبح جزء من الإلكترونات متحركًا للغاية.

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.

عند درجات حرارة منخفضة، تصبح العديد من المواد موصلات فائقة — حيث يتدفق التيار الكهربائي دون مقاومة. ولكن كيف ينشأ هذا السلوك إذا كانت الإلكترونات محبوسة في البداية في عازل؟ قبل نصف قرن، افترض فيليب أندرسون أن الإجابة تكمن في رقصة كمومية خاصة للجسيمات.

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.

بلورة اليورانيوم والزرنيخ (UAs2) تحت الضغط تتصرف كبيت بغرفتين. في إحدى الغرفتين، تجلس الإلكترونات في مكانها، وفي الأخرى تتجول بحرية. في الظروف العادية، هذا هو «كوندو الشبيكي» الكلاسيكي: إلكترونات ثقيلة شبه ساكنة في المدارات 5f5/2 محاطة ببحر من إلكترونات التوصيل السريعة. ينشأ نطاق مسطح — كرفّ لا تكاد توجد فيه سرعة للإلكترونات. وهذا بالضبط ما يُلاحظ في تجارب الانبعاث الضوئي.

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%.

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.

قطرة بعد قطرة من الصنبور — أو تيار منتظم دون أي تموج. هكذا يبدو النمطان من التيار في وصلة فائقة التوصيل تقريباً. لكن دور الماء تلعبه أزواج كوبر — إلكترونات مرتبطة تتحرك دون مقاومة. في أحد الحدين، تتسرب الأزواج واحداً تلو الآخر، مثل قطرات نادرة: التيار يسري لكن مع خسائر. وفي الآخر، تتدفق كتيار واحد دون أي احتكاك.

الدوامة فائقة التوصيل ليست مجرد عيب، بل هي بنية طوبولوجية تشبه قمعًا في سائل كمومي. عندما يخترق مجال مغناطيسي خارجي الموصل الفائق، فإنه لا يتوزع بشكل منتظم، بل يتركز في خيوط رفيعة — دوامات — تدور حولها تيارات فائقة لا تتبدد. في قلب هذه الدوامة، يتم قمع الموصلية الفائقة، وتنشأ هناك حالات إلكترونية خاصة، تنبأ بها علماء في ستينيات القرن الماضي.