آليات تعزيز 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.

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.

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.

يرسل الكون إلينا إشارات باستمرار، لكن كثيرًا منها أضعف من أن تُلاحَظ. النيوترينوات الأثرية النيوترينوات — الجسيمات التي خلفها الانفجار العظيم — تخترق الأرض بالمليارات كل ثانية، لكن التقاط واحدٍ منها فقط مهمةٌ على حافة المستحيل. نحتاج إلى كاشفٍ يستشعر طاقةً أصغر بألف مرة من الطاقة اللازمة لتحريك ذرّة غبار. يعمل الجهاز الجديد SuperEM كأذنٍ مرهفة تلتقط الهمس.

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.

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 الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، تشبه الآلات الحرارية خطاطًا ماهرًا: كلما اقترب من الكمال (كفاءة كارنو)، كلما تباطأت سرعته (القدرة).

عادةً ما تكون الموصلية الفائقة قصة عن البرد. كلما انخفضت درجة الحرارة، أصبح من الأسهل للإلكترونات أن تقترن في أزواج وتتدفق دون مقاومة. لكن في دراسة جديدة، زرع الفيزيائيون أغشية رقيقة من النيكيلات (nickelates) مع إضافة اليوروبيوم، ورأوا الصورة المعاكسة. عند درجات حرارة أقل من 2.6 كلفن، تصرف العينة كمعدن عادي ذي مقاومة.

من السهل أن تفقد أوركسترا الإلكترونات المتناغمة في الموصل الفائق إيقاعها. فالصدمات الحرارية تدمر النظام الهش، ويعود المقاومة. لعقود، بحث العلماء عن طرق لتقوية هذا الفريق، غالبًا عن طريق تغيير تركيب المادة أو ضغطها إلى ضغوط لا يمكن تصورها. لكن هناك أداة ثالثة شبه غير ملموسة: الفراغ الممتلئ بالطنين الكهرومغناطيسي.

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.

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.

شريط مطاطي يزداد سُمكًا كلما شددته بقوة أكبر. في الكهرباء، يُسمى هذا السلوك بالسعة السالبة: كلما زادت الشحنة المتراكمة على اللوحين، انخفض الجهد. أما المكثف العادي فيعمل بالعكس — يرتفع الجهد مع ازدياد الشحنة. تبشّر السعة السالبة بتوفير هائل للطاقة في الرقائق الدقيقة، لكن من الصعب الحصول عليها بشكل نقي.

إذا سخّنت مسمارًا في النار، فسوف يستطيل — وهذا يعرفه الجميع. لكن إذا سخّنت طرفه فقط وتركت الآخر باردًا، فلن يصبح المسمار أطول فحسب: بل سينحني، لأن المعدن الساخن يتمدد أكثر من المعدن البارد. هذا الانحناء نفسه، لكن على المستوى الذري، هو ما حوّله الفيزيائيون إلى كهرباء. في العوازل — الزجاج والبلاستيك والسيراميك — لا توجد إلكترونات حرة تقريبًا، لذا فإن التأثير الكهروحراري (thermoelectric effect) المعتاد لا يعمل هناك.

الموصل الفائق يشبه رقصة دائرية مثالية للإلكترونات: تتحرك في أزواج دون فقدان الطاقة، مثل راقصين لا يخطئون أبدًا في الإيقاع. لكن بمجرد إضافة القليل من الشوائب المغناطيسية، يقتحم دخيلٌ الرقصة ويعطل الحركة المتناغمة. تنخفض درجة الحرارة التي تبدأ عندها هذه الرقصة.

الشوكة الرنانة تعلو نبرتها وتخفت ليس لأن أحدًا توقف عن الإمساك بها، بل لأن اليد نفسها التي تضربها تخلق حولها معلقًا غير مرئي يخمد الاهتزازات. هذا تقريبًا ما يفعله الرنان فائق التوصيل (superconducting resonator) — مسار صغير تجري فيه إشارة الميكروويف بخسائر شبه معدومة.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن لكي يصبح الأنبوب مثاليًا، يجب تبريده إلى درجة حرارة منخفضة جدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن طويل عن طرق لصنع مثل هذا الأنبوب عند درجة حرارة أكثر دفئًا، ومن بين الأدلة المهمة النقطة الحرجة الكمومية. النقطة الحرجة الكمومية هي مثل ممر بين واديين.

قطعة معدنية محمّاة في الفرن تشبه مقلاة على الموقد: كلما زادت الحرارة، زادت سرعة انتقالها إلى يدك إذا لمستها. لكن عند درجات حرارة يكون فيها المعدن قريبًا من الانصهار، يصعب قياس هذه السرعة: الحساسات لا تلتصق جيدًا، والحرارة تتسرب إلى الهواء، والعينة نفسها تتوهج وتشوش الأجهزة. الطريقة الجديدة تتجاوز هذه العقبات.

المُضخِّم الجزيئي (molecular amplifier) يشبه مزلاج الباب: إشارة ضعيفة تفتح الطريق أمام إشارة قوية. في الخلايا الحية، تعمل هذه المُضخِّمات باستمرار، لكنها دائمًا ما تستهلك وقودًا. فهل يمكن تضخيم الإشارة دون إنفاق طاقة؟ اتضح أن نعم — إذا قمنا مسبقًا بـ«شدّ الزنبرك»، أي تجهيز الجزيئات بحيث يكون من المفيد لها إعادة الترتيب عند ظهور المفتاح المناسب.

السجادة ممددة بشكل مستوٍ، لكن إذا دفعتها من الحافة، تنتشر عليها الطيات. في الغشاء الرقيق من كبريتيد التنتالوم (1T-TaS2)، تتجمد طيات الإلكترونات – أمواج الشحنة – كما لو أن السجادة قد تجمدت على الأرض. لتحريكها، يلزم بذل جهد. وجد العلماء طريقة للتحكم في هذا الجهد باستخدام حقل كهربائي ومغناطيس.

عادةً ما يعمل التيار في المعدن مثل الماء المغلي على الجليد: فهو يسخن المادة ويدمر النظام المغناطيسي. لكن في بنية طبقية من ثنائي تيلوريد التنجستن والمغناطيس الحديدي Fe3GeTe2، يتصرف التيار بشكل مختلف. فهو لا يسخن، بل يحرض داخل الطبقة المجاورة مجالًا مغناطيسيًا إضافيًا — كما لو أنك لا تذيب الجليد بل تجمده أكثر.

قطعة من تيلوريد الفضة والأنتيمون تشبه الإسفنجة: فهي تمتص الحرارة بسهولة وتحولها إلى كهرباء. تُسمى هذه المواد بالمواد الحرارية الكهربائية، وهي تعمل بالفعل في المسابير الفضائية وثلاجات السيارات. لكن إذا ضغطت هذه الإسفنجة، فإنها تبدأ في التصرف كموصل فائق — يتدفق التيار دون أدنى مقاومة.

الموصلية الفائقة هي قدرة المادة على توصيل الكهرباء دون فقدان. الأسلاك العادية تسخن، ويذهب جزء من الطاقة في صورة حرارة، بينما الموصل الفائق يمرر التيار دون مقاومة. لكن حتى الآن، كان يُحصل على هذه الحالة فقط في درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، مما يعيق تطبيقها في الحياة اليومية.

عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تنتقل بعض المواد إلى حالة الموصلية الفائقة: إذ يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان للطاقة. الخاصية الأساسية هنا هي درجة الحرارة الحرجة، التي تفوقها تختفي الموصلية الفائقة.

قضيب معدني من خمسة معادن مختلفة — الهافنيوم والنيوبيوم والاسكنديوم والتيتانيوم والزركونيوم — موضوع داخل فرن. بعد تسخينه إلى 600 درجة، تظهر داخله مناطق تشبه نمطًا من معدنين مختلطين، مثل عروق الرخام. هذه المناطق بالتحديد هي التي تجعل السبيكة بأكملها تنقل التيار الكهربائي دون فقدان عند درجة حرارة منخفضة جدًا — حوالي −263 درجة مئوية.

الموصل الفائق هو مادة تنقل الكهرباء عند درجة حرارة منخفضة جدًا دون أي فقدان: تتحرك الإلكترونات دون أن تتصادم، مثل حشد يسير في ممر مستقيم تمامًا. ولكن بمجرد تفعيل مجال مغناطيسي قوي، تظهر داخل الموصل الفائق دوامات — مناطق صغيرة تختفي فيها الموصلية الفائقة.

يسخن السلك العادي عندما يمر به تيار كهربائي. أما الموصل الفائق فلا يسخن. لكن几乎所有 الموصلات الفائقة المعروفة تعمل إما عند درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، كما في أعماق الكواكب. لطالما بحث العلماء عن مادة تستغني عن هذه الحالات القصوى. في الدراسة الجديدة، استُخدم مركب من الليثيوم والنحاس والهيدروجين — Li3CuH4. بداخله طبقتان بطبيعتين مختلفتين.

الإلكترونيات تسخن. كلما كان المعالج أقوى، زادت الحرارة التي يجب تصريفها، وإلا تعطل. أحد المواضع الحرجة هو الحدود بين مادتين: تصطدم الحرارة بها كما تصطدم بالشق بين البلاطات، فتبطئ. صنع العلماء وصلة بين نيتريد الألومنيوم وكربيد السيليكون شبه مثالية الاستواء، دون أي فراغ. تمر الحرارة عبرها دون خسائر تقريبًا.

يُولد الضوء في أشباه الموصلات من أزواج من الشحنات — إلكترون وثقب، ينجذبان لبعضهما مثل المغناطيس إلى الثلاجة. يُسمى هذا الزوج إكسيتونًا. إذا أُضيفت شحنة أخرى إلى الزوج، نحصل على ثلاثي أيوني — «ثلاثة» من ثلاثة جسيمات.

في المعدن الصلب، تتصرف الإلكترونات مثل أوركسترا غير منسجمة: كل آلة تعزف منفردة، ويمتزج الصوت العام في ضجيج فوضوي. ولكن بمجرد فرد المعدن إلى غشاء بسماكة بضعة طبقات ذرية فقط، يتغير المشهد جذريًا: تبدأ الإلكترونات فجأة في "العزف" بتناغم، موصلة التيار الكهربائي دون تنافر — دون مقاومة.

الموصل الفائق العادي يعمل فقط في "مجمد الطبيعة"، أي عند درجات حرارة أقل من مئة درجة تحت الصفر. مادة كرات الكربون K₃C₆₀ ليست استثناءً: بدون البرد، تقاوم التيار مثل حشد في ممر ضيق. لكن الفيزيائيين لاحظوا شيئًا غريبًا: إذا سلطوا ليزرًا عليها، فإنها تبدأ في توصيل التيار دون فقدان حتى في الدفء. صحيح أنهم احتاجوا سابقًا إلى شعاع قوي كاد أن يذيب العينة.

الموصلات الفائقة هي مواد تنقل الكهرباء دون فقدان، لكن خصائصها عادة ما تكون ثابتة. في العمل الجديد، صنع العلماء جهازًا يشبه تقاطع طريقين فائقين التوصيل. بتطبيق مجال مغناطيسي ضعيف عمودي على هذا التقاطع، تمكنوا من تغيير شدة التيار الذي يمكن للجهاز تمريره أربع مرات. هذا يشبه تنظيم تدفق الماء في أنبوب بإمالته قليلاً.

تُضغط بلورة الموصل الفائق في خلية صغيرة، وكأنها تُحكم في ملزمة، لكن مع الماء لتوزيع الضغط بالتساوي. ضغط يصل إلى 1.08 غيغاباسكال (أي ما يعادل مئة ضعف ضغط إطار سيارة تقريبًا) لا يغيّر كثيرًا درجة الحرارة التي يفقد عندها المادة مقاومتها. لكنه يعزز بشكل ملحوظ قدرتها على تمرير التيار دون فقدان في مجال مغناطيسي، وهو ما يُعرف بالتيار الحرج.

الطريقة المعتادة لتجميد خلية حية تشبه محاولة ارتداء بدلة فضاء: يجب أولًا إدخال مادة واقية إلى الداخل، ولكن بينما تخترق الغشاء، قد تنفجر الخلية بسبب اختلاف الأملاح أو تتسمم بالمواد الكيميائية.