تبريد فائق

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.

بدلاً من الحمام الجليدي، قميص غازي دافئ. هكذا أصبحوا الآن يبردون مقارن التيار المبرد في المعهد الوطني للقياس في اليابان. سابقًا، كان هذا الجهاز، الذي يقارن التيارات الكهربائية بدقة تصل إلى أجزاء من المليار، يتطلب الغمر في الهيليوم السائل. أما اليوم فهو يعمل داخل مبرد مغلق حيث لا يبرده سائل بل غاز. مقارن التيار المبرد هو ميزان للكهرباء.

الجزيئات في غاز فائق البرودة تشبه المغناطيسات الصغيرة التي تنجذب عندما تكون بعيدة، لكنها قد تلتصق ببعضها بشدة عند الاقتراب. هذا الالتصاق يدمر الغاز: فالجسيمات تخرج من اللعبة، ولا يمكن الوصول إلى النظام الكمومي حيث تتصرف جميعها ككل واحد. وضع علماء من برينستون وفيينا حاجزاً غير مرئي بين الجزيئات يمنعها من الاقتراب أكثر من اللازم. كان الحاجز عبارة عن حقل كهربائي ساكن مضبوط بحيث تتنافر الجزيئات على مسافات قصيرة.

في أعماق الكواكب شبه النبتونية، وهي الكواكب الأكثر وفرة في المجرة ولكن لا يمكن الوقوف عليها، تمتزج الصهارة السيليكاتية والهيدروجين في كوكتيل واحد فوق حرج. كان يُعتقد سابقًا أنه تحت الغلاف الجوي الهيدروجيني الكثيف توجد حدود واضحة مع السيليكات المنصهرة، مثل الزيت فوق الماء. الآن أظهرت الحسابات أنه عند ضغوط ودرجات حرارة الأعماق، تذوب هاتان الطبقتان تمامًا في بعضهما البعض.

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.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ترتكب أخطاء. كل كيوبت يشبه كرة على رأس قلم رصاص: إذا اهتزت اليد قليلاً، تتدحرج الكرة. لمنع الكرات من السقوط، نحتاج إلى من يلاحظ الاهتزاز ويصحح الوضع في الوقت المناسب. في الحوسبة الكمومية، يقوم بهذا العمل وحدة فك الترميز (decoder) — برنامج ينظر إلى نتائج القياسات ويحدد مكان حدوث الخطأ. Snowflake هو أحد وحدات فك الترميز هذه.

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.

شعاع الليزر لا يعرف فقط كيف يسخّن، بل يعرف أيضًا كيف يهدّئ الحركة. عندما يدخل الضوء إلى مصيدة من المرايا، فإنه يضغط عليها — وإذا ضُبط لون الشعاع بشكل صحيح، يتحول الضغط إلى كبح لطيف. هكذا تُبرَّد الاهتزازات الميكانيكية الدقيقة حتى قرب الصفر المطلق. عادةً، يتم ذلك ببساطة عن طريق اختيار لون ثابت لليزر وقوة توهجه. مؤلفو العمل الجديد حوّلوا الضبط إلى رقصة.

قدرٌ مليء بغراء كثيف جدًا وحار — هكذا تقريبًا بدا الكون المبكر. لم يكن غراءً عاديًا، بل «حساء غلووني»: جسيمات تحمل التفاعل القوي (الغلوونات) كانت تتنقل بحرية في الفضاء. كانت الحرارة مرتفعة لدرجة أن الكواركات والغلوونات لم تكن تلتحم لتكوين بروتونات ونيوترونات. مع مرور الوقت، بدأ الكون يبرد. في لحظة ما، بدأ «حساء الغلوونات» يتماسك — حدث انتقال طوري يشبه تصلب الغراء.

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.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي الذي تحمل عليه المجرات. ولكن كيف ظهرت بالضبط؟ الإجابة القياسية: جسيمات المادة المظلمة توقفت ذات يوم عن التصادم و"تجمدت" بالكمية التي نراها اليوم. ومع ذلك، هناك طريق أكثر دهاءً، وهو UFO، أو التجميد فائق السرعة. هنا يشبه الأمر قهوة تبرد ثم تسخن مجددًا بينما تُحمل عبر ممر بارد.

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.

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.

السائل الساخن يتدفق بسهولة: الجزيئات تندفع وتتصادم وتجد بسرعة مكانًا جديدًا. لكن بمجرد تبريده بشكل فائق، يتغير كل شيء. الحركة تكاد تتجمد، واللزوجة ترتفع إلى عنان السماء. السؤال الرئيسي ليس أن الجزيئات كسولة، بل إلى أين يمكنها أن تتحرك أصلًا. جمع مؤلفو العمل فكرتين معروفتين.

إذا ضغطت الماء بين زجاجتين بحيث يتسع لطبقتين فقط من الجزيئات، فإنه يتحول إلى شيء بين السائل والجليد. في درجة حرارة الغرفة، لا تزال الجزيئات في هذا المصيدة تتحرك، لكنها تصطف في ما يشبه الشبكة البلورية.

ورقتان أبيضتان تحت الشمس — إحداهما خشنة والأخرى ناعمة. أيتهما ستسخن أقل؟ الورقة الخشنة تشتت الضوء بقوة أكبر، ويبدو أنها ستبقى أبرد. لكن إذا كان الطلاء مكونًا من العديد من الكرات الزجاجية الشفافة، يتغير المنطق. فالضوء يتجول فيها كما في ضباب كثيف، وفي لحظة ما يتوقف عن ملاحظة القطرات الفردية.

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.

الشاي الساخن في الفريزر لا يتجمد فورًا. أولاً، تتشكل إبر جليدية صغيرة تتحرك فيه — تظهر وتذوب حتى تنخفض درجة الحرارة بما يكفي ليتجمد الجليد تمامًا. هكذا تقريبًا تصرف الكون المبكر عندما كان يبرد ويغير بنيته الداخلية. يسمي الفيزيائيون هذا تحولًا طوريًا من النوع الأول — تغيرًا حادًا في الحالة، مثل الماء عند التجمد.

يشبه الثقب الأسود جمرةً كان يُعتقد أنها تتوهج إلى الأبد، لكنها في النهاية يجب أن تنطفئ وتتبخر دون أثر. هكذا تنبأ ستيفن هوكينغ: العمليات الكمومية عند أفق الحدث (الحدود التي لا يعبر حتى الضوء) تولد توهجاً خافتاً، ويفقد الثقب كتلته ببطء.

قاعة مكتظة بالراقصين ينزلقون دون أدنى احتكاك — يمرون عبر بعضهم البعض دون أن يتلامسوا. هذا هو السائل فائق السيولة. في قشرة النجم النيوتروني، يمكن للنيوترونات أن تتصرف بهذه الطريقة، لكن شبكة صلبة من الأيونات تعيقهم — كما لو أن حلبة الرقص امتلأت فجأة بأعمدة كثيفة. كان يُعتقد عادةً أن الشبكة ثابتة تمامًا، وأن السيولة الفائقة تكاد تختفي.

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.

يسكب الطباخ شراب السكر الساخن على طاولة باردة فيتصلب على شكل بلورات. هكذا تقريباً تصور المهندسون تجمد المعادن: السائل يتحول فوراً إلى حبيبات بلورية متناثرة. لكن التصوير عن قرب أظهر أن هناك مرحلة إضافية تنحشر بين السائل والصلب. في ثلاثة أنواع من الفولاذ، صُوّرت بالأشعة السينية طور غريب أثناء التبريد مباشرة — أُطلق عليه اسم سوبيريت.

قدرٌ به ماءٌ على الموقد: كلما زادت حرارة النار، أسرع تحوّلُ الثلج إلى ماء، والماء إلى بخار. الحرارة تُفكك النظام. لكن أحيانًا تفاجئنا الطبيعة، فتجمد السائلَ بالحرارة، كأنما تتجمد بركةُ ماءٍ في الصقيع. أشهر مثالٍ على ذلك هو الهيليوم-3: في درجات الحرارة المنخفضة يكون سائلًا، لكن إذا سُخّن إلى 0.3 درجة فوق الصفر المطلق، يصبح فجأة صلبًا.

البلوتونيوم معدن ذو شخصية. أحد أشكاله ينكمش عند التبريد، بينما يتضخم شكل آخر. لكن عند درجة حرارة الغرفة، تتصرف السبيكة بشكل غريب: المسطرة تُظهر شيئًا، والأشعة السينية تُظهر شيئًا آخر. المسطرة تقول إن العينة لا تكاد تنمو، بينما ترى الأشعة السينية الذرات في الشبكة البلورية تتباعد أكثر فأكثر.

داخل الموصلات الفائقة النحاسية — وهي مواد توصل التيار بدون فقدان عند درجات حرارة مرتفعة بشكل غير متوقع — توجد طور خفي. يتصرف هذا الطور كمعدن عادي، لكنه لا يظهر في القياسات القياسية. جمع العلماء بيانات من جميع أنحاء العالم عن جميع الموصلات الفائقة النحاسية المعروفة ووجدوا أنه تحت درجة حرارة معينة (خط الفجوة الزائفة) تنتقل المادة دائمًا إلى هذه الحالة المعدنية الخفية.

بلورة نحاسية تُضغط في ملزمة من الألماس. يزداد الضغط، وداخل المادة يدور صراع بين حالتين: إحداهما تُعدّ الإلكترونات للموصلية الفائقة، والأخرى تعيقها عن الاقتران. تابع العلماء هذا الصراع باستخدام ومضات ليزر فائقة القصر. التحليل الطيفي أظهر أن درجة الحرارة التي تظهر عندها فجوة الشبه-فجوة (حالة تكون فيها الإلكترونات محجوبة جزئياً) ترتفع مع الضغط.

تخيّل أنك تريد فحص ندفة ثلج دون أن تذوب أو تتضرر. هذا تقريبًا التحدي الذي يواجه العلماء الذين يريدون دراسة البروتينات المنفردة — تلك الآلات الجزيئية الدقيقة للحياة. البروتين في محلول يهتز باستمرار ويلتصق بجيرانه، وفي المجهر الإلكتروني يدمره الشعاع.

غبارتان صغيرتان تحومان في نقطة تقاطع أشعة الليزر. كل واحدة تُمسك بواسطة «ملقط» خاص بها — شعاع مركّز يمنع الجسيم من السقوط. داخل تجويف مرآوي، يرتد الضوء بين الجدران، وترتبط تذبذباته بارتعاش الغبارتين. عادةً، تهتز هذه الجسيمات باستمرار بسبب الحركة الحرارية، وهذا الاهتزاز يحجب رؤية التأثيرات الكمومية. لإيقاف الاهتزاز، يستخدم العلماء الضوء: فهو يسحب الطاقة من الحركة، مثل يد تهدئ أرجوحة تتأرجح.

إن قدرًا عاديًا من الألومنيوم على الموقد لا يصدر جزيئات يمكن التقاطها بالضوء. ولكن إذا أخذت الألومنيوم وملح الألومنيوم وسخنتهما معًا في فرن صغير، فستحصل على تيار من جزيئات فلوريد الألومنيوم - مثل بخار الماء المتصاعد من فوهة إبريق الشاي، لكن بدلاً من قطرات الماء، تطير جزيئات صغيرة جدًا.

تنزل إبرة معدنية على قطعة من موصل فائق. يحدث كل هذا داخل مبرّد يبرّد العينة إلى 30 جزءًا من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق — أبرد بمئة مرة من الفضاء الخارجي. يُمرَّر تيار ضعيف عبر الإبرة، ومن خلال كيفية مرور الإلكترونات عبر بقعة التلامس الصغيرة جدًا، يقرأ الفيزيائيون ما يحدث داخل المادة.

في الهيليوم المبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، يتوقف السائل عن الاحتكاك بنفسه ويبدأ بالتدفق دون أدنى مقاومة. أطلق الفيزيائيون في مثل هذا الهيليوم فائق الميوعة كرات بوليمرية صغيرة — يتراوح قطرها من ميكرومتر واحد إلى ستة ميكرومترات، بحجم البكتيريا — وتابعوا سقوطها عبر إضاءة ليزرية. كانت الكرات تتوهج، وسجلت الكاميرا مساراتها.

عادةً ما يعمل الليزر على التسخين. لكن في بعض البلورات، يمكن للضوء أن يحمل الحرارة بعيدًا — كما لو أن إبريق الشاي يبرد تحت ضوء مصباح ساطع. في الألماس، تقوم العيوب بهذه المهمة: أماكن يحل فيها ذرة نيتروجين محل الكربون، وبجانبها فراغ. أظهرت التحليل الطيفي أنه عند تسليط ليزر بطول موجة أقل قليلاً من طول موجة الرنين، يصدر العيب ضوءًا بطاقة أعلى مما امتصه.

الماء هو السائل الشائع الوحيد الذي لا ينكمش فورًا عند التبريد. يذوب الجليد فيزداد الماء كثافة، لكن فقط حتى 4 درجات مئوية. بعد ذلك، مع مزيد من التبريد، يتمدد مرة أخرى. هذا السلوك الغريب يفسر كيف تبقى الأسماك حية في البرك المتجمدة: الماء الأكثر كثافة يغوص إلى القاع، بينما تبقى الطبقة الباردة الأخف في الأعلى، وتتحول إلى جليد.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم انفجر يومًا ما، مضغوطة إلى حجم مدينة. إذا كان هناك نجم عادي قريب، يقوم النجم النيوتروني بسحب المادة منه مثل المكنسة الكهربائية. تسقط هذه المادة على السطح وتشكل قشرة — طبقة صلبة من النوى الذرية الغنية بالنيوترونات. في هذه القشرة تحدث تحولات نووية: تتحلل بعض العناصر وتتحول إلى عناصر أخرى، وتصدر جسيمات تسمى النيوترينوات.

الهيدروجين بطل في الطاقة لكل كيلوغرام، لكن تخزينه متعب. في حالته الغازية يشغل حجمًا هائلًا، وإذا تم ضغطه أو تبريده إلى سائل، نحتاج إلى أسطوانات ثقيلة وطاقة كبيرة. هناك طريق ثالث: بعض المواد الصلبة تمتص الهيدروجين مثلما تمتص الإسفنجة الماء، وتحتفظ به داخلها. سخّن المادة — يخرج الهيدروجين، برّدها — يُمتص مرة أخرى.

ينزلق الجليد من تحت شفرة التزحلق كما تنزلق قطعة الصابون من اليدين المبللتين. ظل العلماء يتجادلون لمئة عام حول مصدر هذه الزلوجة. قال البعض: توجد بالفعل طبقة رقيقة من الماء على السطح، وهي التي تعمل كمواد تشحيم. وعارض آخرون: الماء لا يظهر إلا عندما تبدأ الحركة، بفعل الاحتكاك. في دراسة جديدة، جمع الفيزيائيون بين النهجين معًا — واكتشفوا من كان على حق.

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.

المواد الكمومية مثل الزهور المدللة: لا تتفتح إلا في البرد. في درجة حرارة الغرفة، تُخفي خصائصها غير العادية، وعند التبريد الشديد تصبح موصلات فائقة أو تغيّر سلوكها المغناطيسي. لفهم كيفية عملها، نحتاج إلى فحص ذراتها في نفس البرد الذي تعيش فيه هذه الخصائص. المجهر الإلكتروني العادي لا يصلح لهذا الغرض: الهيليوم السائل الذي يُستخدم لتبريد العينة يهتز ويرتجف.