الميوعة الفائقة

في 1934 برهن جان لوراي أن لمعادلات نافييه–ستوكس حلولًا دائمًا «بالمعنى المعمم». أما هل يبقى الحل أملس أم قد ينكسر في تفرّد فلم يعرف، ولم يعرف أحد تسعين عامًا. في 2000 أدرج معهد كلاي السؤال ضمن مسائل الألفية السبع. صياغة تشارلز فيفرمان أمينة: يطلب برهان أي من أربع عبارات. (A) و(B): دون قوة خارجية تبقى السلاسة دائمًا، في الفضاء وعلى الطارة.

في مختبر في باريس، جعلوا الضوء يتدفق حول عائق، تمامًا كما يتدفق الماء حول حجر في جدول. لكن الماء هنا مميز: فهو لا يشعر بالاحتكاك.

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.

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.

في أعماق الكوكب دون نبتوني ، حيث يصل الضغط إلى مئة ألف بار والحرارة إلى أربعة آلاف درجة، تتصرف الصخور كحساء يغلي. تتصاعد أبخرة السيليكون والمغنيسيوم الثقيلة إلى الأعلى، ثم تبرد وتتساقط مجددًا كمطر من جسيمات صلبة. هذه الدورة ليست مجرد تفصيل، بل هي قائد الأوركسترا الذي يوجه الأوركسترا الكيميائية بأكملها للغلاف الجوي.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

بعد الانفجار العظيم، وفقًا لعلم الكونيات التضخمي، شهد الكون توسعًا سريعًا وسلسلة من التحولات الطورية. في هذه الفترة، كما يعتقد المنظرون، قد تكون تجمدت عيوب طوبولوجية في نسيج الزمكان — أوتار كونية، جدران مجال، أحاديات قطب. استمر البحث عنها لعقود، لكن لا توجد أدلة مباشرة حتى الآن.

يحاول المترجم أن يلتقط همس شخصين في قاعة صاخبة. تقريبًا هذه هي المهمة التي يواجهها الفيزيائيون عندما يريدون فهم كيف تتحد الإلكترونات في أزواج داخل الموصل الفائق. وإذا كانت "القاعة" أيضًا مضغوطة بمكبس هائل إلى ضغوط تصل إلى مئات الآلاف من الأجواء، تبدو المهمة مستحيلة. وجد مؤلفو العمل الجديد حلاً ذكيًا. وضعوا بلورة صغيرة جدًا في غرفة ضغط عالٍ—بحجم كف اليد — وقاموا بتوصيل سلك ذهبي رفيع بها.

السيولة الفائقة — حالة تتدفق فيها المادة بدون احتكاك — ظلت بعيدة المنال في متكثفات بوز الإكسيتونات المتعادلة. على عكس الموصلات الفائقة، حيث يُطرد المجال المغناطيسي بتأثير مايسنر، هنا أصبح الصوت نفسه للسائل الكمي هو العلامة — سرعة الصوت.

السائل فائق السيولة يتدفق دون احتكاك — مثل ماء لا يتوقف أبدًا. لكن إذا جُعل يدور، فإنه لا يكتفي بالدوران: فكل دوامة صغيرة تتذكر كيف دُوّرت بالضبط. هذا «الأثر» ليس مجازًا، بل بصمة هندسية حقيقية يسميها الفيزيائيون طور بيري (تراكم طور الموجة عند الحركة على مسار مغلق). مايكل بيري أظهر أن هذه الأطوار تظهر في كل مكان — من البندولات إلى الأنظمة الكمومية.

في معجلات مثل مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم النوى الثقيلة بسرعات هائلة. للحظة، تولد بلازما الكوارك-غلوون (QGP) - حالة من المادة تسبح فيها الكواركات والغلوونات بحرية، كما في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. هذه البلازما ليست مجرد ساخنة. إنها تدور أيضًا بسرعة جنونية - تصل إلى 10²² دورة في الثانية.

في صورة هايزنبرغ المألوفة، يُفترض بالسبينات عند درجات الحرارة المنخفضة أن تنتظم في نمط صارم. لكن هناك بلورات — مثل البيروكلور — تحكم فيها الهندسة. كل أيون يجلس في رأس رباعي وجوه، ويفرض التفاعل الرئيسي قاعدة: سبينان يتجهان إلى داخل الخلية، واثنان إلى الخارج. هذه القاعدة ليست مجرد نصيحة: إنها تمنع بقوة اتخاذ خيار واحد قاطع.

الغرافين — بلورة كربون ثنائية الأبعاد — لطالما أغرت الفيزيائيين بأمل التوصيل الفائق في درجات حرارة عالية. إلكتروناته تخضع لمعادلة بول ديراك النسبية، وتندفع بسرعة هائلة، بالكاد تلاحظ بعضها البعض.

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.

عندما يدفع الفيزيائيون الإلكترونات عبر قناة فائقة النقاء من زرنيخيد الغاليوم عند درجات حرارة الهيليوم، يتوقعون رؤية سائل مطيع شبه مثالي. ولكن مع زيادة التيار، تبدأ المقاومة في التقلب: تظهر على الرسوم البيانية نتوءات وانخفاضات لا تناسب ببساطة نموذج ньютоновскую. يتضح أن электронный поток يسخن نفسه – وبذلك يتغير "سلوكه" بشكل حاد.

تخيّل: يتعرض الهيليوم-3 فائق الميوعة في طبقة رقيقة لصدمة حرارية مفاجئة. في تلك اللحظة، يستيقظ فيه أوركسترا كاملة من الاهتزازات الجماعية — وكأن ضربة على طبلة خفية تولد وتراً متعدد الأصوات. تكتسب آلية كيببل–زوريك، المألوفة من تشقق الجليد عند التجميد السريع، أناقة كمومية هنا. في الطور A الكيرالي، حيث يدور وسيط الترتيب مثل إبرة بوصلة في فضاء تجريدي، يُطلق التبريد شلالاً من الأنماط البوزونية.

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.

الموصل الفائق يشبه طريقًا سريعًا مثاليًا بلا إشارات مرور: الإلكترونات تندفع دون عوائق. لكن بمجرد تطبيق جهد كهربائي، يتغير المشهد. في تجربة جديدة، اكتشف الفيزيائيون أن المجال الكهربائي يخترق الموصل الفائق ويخلق بداخله نمطًا مختلطًا.

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.

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.

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.

يسقط حجر في بركة، فتنتشر دوائر على سطح الماء. تتحرك الموجات الطويلة والقصيرة بنفس السرعة: هكذا يتصرف الصوت العادي في أي وسط تقريبًا. لكن في السوائل الكمومية، قد يكون الأمر مختلفًا. درس الفيزيائيون سائلًا فائق السيولة تتحرك جسيماته على نطاق طاقة "مسطح". يشبه ذلك طريقًا سريعًا بلا صعود أو هبوط: السرعة لا تتغير، والطاقة تبقى ثابتة.

ثلاث عوامات على الماء تتمايل بشكل عشوائي. لكن ثلاث ذرات هيليوم، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تتصرف بشكل مختلف — وكأنها تخضع لقانون تشابه غير مرئي. تجاذبها المتبادل ضعيف جدًا لدرجة أن الذرات تشكل سحابة فضفاضة. يمكن تغيير حجمها، لكن شكلها يظل دائمًا كما هو — مثل ماتريوشكا (دمية روسية) تُصغَّر أو تُكبَّر دون أن يتغير نقشها.

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.

يعمل الصمام الثنائي (diode) العادي في الإلكترونيات كطريق باتجاه واحد: يمر التيار في اتجاه واحد فقط. أما في الموصلات الفائقة، حيث تتدفق الكهرباء دون مقاومة، فقد ظل هذا السلوك صعب التحقيق لفترة طويلة — فالتيار عادةً ما يكون متماثلًا. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقة لصنع صمام فائق التوصيل مثالي باستخدام الضوء.

الموصل الفائق ينقل التيار دون مقاومة — مثل الماء الجاري في أنبوب دون احتكاك. السر يكمن في أزواج الإلكترونات: إلكترونان يلتصقان معًا ككيان واحد، رغم أنهما عادةً يتنافران. في الموصل الفائق العادي، يتجه لَفّا الإلكترونين في الزوج إلى اتجاهين مختلفين — وهذه حالة مفردة (singlet). يمكن تشبيهها بمتزلجين فنيين يدوران ظهرًا لظهر.

يتجمد الماء العادي بشكل متوقع: كلما كان أبرد، تحول إلى جليد أسرع. ومع ذلك، في بعض الأحيان يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من البارد — وهذه مفارقة تُعرف بتأثير ميمبا.

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.

ينشغل المترجم بكل حفيف في القاعة — فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هكذا تعمل ميكانيكا الكم العادية تقريبًا: يتطور الجسيم في الزمان، ويخدم المكان كمسرح. لكن ماذا لو تبادلنا الأدوار؟ عندها «يسير» الجسيم في المكان، ويصبح الزمان خلفية ثابتة. هذا هو بالضبط ما تفعله ميكانيكا الكم TSI، وفيها، كما اكتشف المؤلفون، يختبئ تناظر غير متوقع.

ينتقل الصوت عبر الوسط بسرعة محددة. وعندما يتحرك الوسط أسرع من الصوت، تنجرف الموجات مع التيار — مثل قطعة خشب تُسحب إلى دوامة مائية. في الهيليوم فائق السيولة — وهو سائل بلا لزوجة ولا احتكاك — يُحدث الدوران السريع دوامات كمية تشبه قمعات مجهرية. داخل هذه الدوامات يتشكل ثقب أسود صوتي: منطقة تتجاوز فيها سرعة التدفق سرعة الصوت، فلا تستطيع الاهتزازات الصوتية الإفلات منها.

ملعب مكتظ: الجماهير تتحرك بعشوائية، مسببة زحامًا ومقاومة. هكذا تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي. في الموصلية الفائقة، تتحد الإلكترونات في أزواج وتتحرك بشكل متزامن — مثل متفرجين يمسكون بأيدي بعضهم ويغادرون المدرجات بهدوء، دون فقدان للطاقة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذا النظام يتطلب برودة شديدة ومواد خاصة مثل الكوبرات.