جهاز كهروحراري

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد.

الكاميرا لا تصور سباقًا، بل رقصة الذرات. في ثنائي أكسيد الفاناديوم، يحدث الانتقال من الحالة العازلة إلى المعدنية في أجزاء من تريليون من الثانية، لكن حتى الآن لم يرَ أحد كيف تتحرك ذرات الفاناديوم والأكسجين بالضبط. الآن، التقط حيود الإلكترون فائق السرعة هذا المسار إطارًا بإطار. التجربة تشبه تصوير رقصة سريعة من زوايا مختلفة.

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.

البطارية العادية تُطلق الحرارة بشكل متدرج: ما تخزنه تُخرجه. القدرة محددة مرة وإلى الأبد — مثل صنبور يتدفق منه الماء في تيار واحد. لكن في بعض الأحيان لا نحتاج إلى تدفق منتظم، بل إلى اندفاع قوي قصير: تسخين قطعة فورًا، أو إطلاق تفاعل، أو التخلص من حرارة زائدة. جمع العلماء جهازًا من أنبوبين يتدفق فيهما الماء باتجاهين متعاكسين — ساخن وبارد.

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).

البلازما بالموجات الدقيقة في تدفق دوامي هي بمثابة خلاط عالي الحرارة: يدور الغاز في المفاعل، وتقوم الموجات الدقيقة بتسخينه إلى آلاف الدرجات، مما يؤدي إلى تفكيك جزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) إلى مكوناتها. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذا المفاعل لفهم كيفية تأثير الضغط على عملية التفكيك.

في غرفة فائقة البرودة، تتصادم سحابتان من الذرات: بضع عشرات من ذرات السيزيوم التي تلعب دور وسط العمل، وآلاف ذرات الروبيديوم التي تمثل خزان الحرارة. كل تصادم هو تبادل حراري مجهري يمكن تشبيهه بضبط آلة موسيقية: درجة حرارة الخزان تحدد الإيقاع الذي تتبادل به الذرات الطاقة. وهذا الإيقاع، وليس فقط المجالات المغناطيسية، هو الذي يحدد مدى سرعة إتمام المحرك الكمومي لدورته.

الماء الساخن بعد الاستحمام، والهواء الدافئ من التهوية، وجدران المحرك الساخنة — كلها حرارة منخفضة الجهد بدرجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. عادةً ما تتبدد في البيئة دون أن تؤدي عملًا مفيدًا. الآن ظهرت تقنية تسمح بالتقاط هذه الحرارة وتحويلها إلى كهرباء. داخل الجهاز الجديد يوجد سلك من سبيكة النيكل-تيتانيوم. هذه المادة تمتلك تأثير ذاكرة الشكل: عند التسخين تنكمش، وعند التبريد تعود إلى طولها الأصلي.

ألقِ حصاة في بركة ماء، وستنتشر دوائر على سطحها. وبالمثل، فإن أي جسم، حتى الأصغر منه، يزعج الحقل الثقالي حوله. في الفضاء البارد الفارغ، هذه الاضطرابات، مثل تموجات على سطح هادئ، تجعل جسمين متقاربين يتنافران دائمًا. تُعرف هذه الظاهرة باسم تفاعل كازيمير-بولدر الثقالي (Casimir–Polder interaction).

الشاي الساخن يبرد، والآيس كريم يذوب — فالحرارة تنتقل دائمًا من الدافئ إلى البارد، وقد بدا هذا القانون وكأنه لا يقبل الجدل. لكن في العالم الكمومي، يمكن إعادة كتابة حتى القواعد المألوفة. وضع الفيزيائيون مرنانًا ميكانيكيًا صغيرًا (جسرًا مهتزًا بحجم ميكروب) داخل تجويف بصري بين مرآتين.

في كوب من الماء، يتجمع الزيت في قطرات — هذا فصل متوازن تمليه الكيمياء. لكن هناك أنظمة يُولد فيها النظام ليس من السكون، بل من تدفق مستمر للطاقة. حشد من الناس، نصفهم يسخن باستمرار ونصفهم يبرد، سرعان ما يعيد ترتيب نفسه: حتى لو كان الجميع مختلطين في البداية، سيجتمع الساخنون معًا، وينأى الباردون جانبًا — فقط لأن الحرارة تنتقل بينهم.

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

تخيل الماء كقاعة رقص واسعة، حيث كل جزيء راقص يدخل في شراكات عابرة باستمرار. هذه الروابط الهيدروجينية تولد أنماطاً محلية: بعضها يشبه رقصة هادئة ومنظمة - شبكة مرتّبة تحتوي على فراغات (بنية منخفضة الكثافة)، وأخرى تشبه رقصة صاخبة ومتدافعة حيث يتزاحم الراقصون في عناقيد فوضوية عالية الكثافة. قدرة الماء على تخزين الحرارة تتحدد بمدى سهولة تنقّل جزيئاته الراقصة بين هذين النمطين.

الماء ليس مجرد مادة مبللة. على مقياس البيكو ثانية، يشبه حلبة رقص حيث تمزق الجزيئات الروابط وتنشئها باستمرار. عادةً ما يُوصف هذا الرقص بحركة رئيسية واحدة — الاسترخاء الجماعي، كما لو أن الحشد كله يتباطأ في الوقت نفسه بعد إيقاف الموسيقى. لكن عند الترددات العالية جدًا، حوالي تيراهرتز واحد (أي تريليون اهتزازة في الثانية)، يظهر إيقاع ثانٍ أسرع.

في مركز العديد من المجرات تختبئ ثقوب سوداء فائقة الكتلة. أحدها — القوس A* في قلب درب التبانة — أصبح ميدانًا لاختبار فكرة جديدة. أخذ مؤلفو الدراسة جاذبية أينشتاين وأضافوا إليها مجالًا كهرومغناطيسيًا غير عادي. صُمم هذا المجال ليحاكي الحبس (confinement) — الظاهرة التي تحبس الكواركات بإحكام داخل البروتونات وتمنعها من التفرق.

داخل مفاعلات فوكوشيما المدمرة توجد مئات الأطنان من الوقود المنصهر - خليط من اليورانيوم والزركونيوم والحديد ونواتج الانشطار. يُطلق على هذا الحطام اسم حطام الوقود. يجب استخراجه ونقله وتغليفه بشكل آمن لعقود. لكن كيف سيتصرف هذا الخليط المتفجر عند التسخين أو الضغط أو الصدمة العرضية؟ للإجابة، نحتاج إلى أرقام دقيقة، وليس تخمينات. أحد المكونات الرئيسية للحطام هو مركب اليورانيوم مع الحديد UFe₂.

السؤال القديم عن شيطان ماكسويل — هل يمكن لكائن ذكي أن يتحايل على القانون الثاني للترموديناميك ويضخ الحرارة من البارد إلى الساخن — يكتسب معنى جديدًا في العالم الكمومي. هنا لا تعمل الجسيمات كأصوات منفردة، بل كجوقة متناغمة، حيث يعزز كل مؤدٍ الآخرين بفضل التماسك الكمومي.

الحرارة تحيط بنا في كل مكان: من أنبوب عادم السيارة إلى هيكل حاسوب محمول يعمل. يمكن للمواد الكهروحرارية أن تحول هذه الحرارة المهدورة إلى كهرباء. لكن للعثور على مواد فعالة حقًا بين مئات المركبات، يجب قياس معلمتين أساسيتين بسرعة ودقة: مدى جودة توصيل المادة للتيار الكهربائي، ومدى شدة توليدها لجهد كهربائي عند اختلاف درجات الحرارة (وهو ما يُعرف بمعامل زيبيك).

لا تتوقف العوالم ثنائية الأبعاد عن الإدهاش: فحتى انصهار البلورة هنا ليس كسراً للتناظر، بل عرض دوامي اكتشفه كوسترليتز وتاولس. في قلب هذا المسرح تكمن التفردات الطوبولوجية، التي تتنافس طاقتها وإنتروبيتها من أجل انتظام النظام. هذه اللغة واحدة بالنسبة للميوعة الفائقة والموصلية الفائقة.

في كوب ساخن، قد يتجمد الماء أحيانًا أسرع من الماء الدافئ. لهذه المفارقة أكثر من نصف قرن، وتُعرف بتأثير ميمبا. عادةً ما يُربط بحركة السائل أو التبخر. الآن أظهر الفيزيائيون أن خدعة مماثلة ممكنة حتى بدون ماء — فقط عبر الإشعاع الحراري. ثاني أكسيد الفاناديوم (VO₂) عند 68°م يغيّر بنيته البلورية فجأة — من عازل إلى معدن.

في الماء المغلي الماء يمكن رؤية نموذج أولي للخدعة الكمومية: إذا حوّلنا جزءاً من السائل إلى فقاعات بخار طويلة العمر، فإن الكتلة الرئيسية تبرد. هذا بالضبط ما يحدث عند توجيه ضربة حادة لنظام من الإلكترونات المتفاعلة: تظهر الدوبلونات — أزواج من الجسيمات تمتص الطاقة الزائدة ولا تتفكك لمدة طويلة بشكل مذهل.

ثلاثة أوتار غيتار على آلة واحدة، لكن مفاتيح الشدّ لكل وتر تدور بقوة مختلفة: واحد يستجيب فورًا، وآخر تديره بصعوبة، والثالث عالق تمامًا. هكذا تقريبًا يبدو العمل مع النقاط الكمومية السيليكونية — جزر صغيرة من الكيوبتات، حيث يتطلب كل واحد «جهد شدّ» كهربائيًا خاصًا به ليصدر نغمة صحيحة. السبب هو شحنات عشوائية عالقة على الحدود بين السيليكون وأكسيده، مثل حبيبات الرمل في زيت آلية.

الشاي في الكوب يبرد بهدوء على الطاولة. ولكن إذا مررت بجانبه بسرعة قريبة من سرعة الضوء، فسيظهر مقياس الحرارة قراءة أعلى — رغم أن أحدًا لم يسخن الشاي. الحسابات تؤكد: سيرتفع المؤشر. قبل مئة عام، انقسم الفيزيائيون إلى ثلاثة معسكرات. رأى البعض أن الجسم المتحرك يبرد، ورأى آخرون أنه يسخن، ورأى ثالثون أن درجة الحرارة لا تتغير إطلاقًا.

مكعب الثلج في الشاي الساخن يذوب عند صفر درجة مئوية تمامًا. ماذا لو كان الثلج مكونًا من جسيمات دون ذرية، والشاي هو مادة نووية ملتهبة؟ درس مؤلفو العمل ميزون رو، وهو جسيم يتكون من كوارك وكوارك مضاد، ويعيش فقط 4×10⁻²⁴ ثانية، وبحثوا عن "درجة حرارة ذوبانه".

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.

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.

قضيب معدني عند تسخينه يصبح فجأة صلبًا، ويفقد أو يكتسب خصائص مغناطيسية. في السبائك القائمة على النيكل والمنغنيز، لا تحدث هذه التحولات بشكل تدريجي بل بشكل قفزي — إذ تعيد الذرات ترتيب نفسها في نظام جديد، وتتغير سلوك المادة. في هذا العمل، درس الباحثون أربعة تركيبات قريبة جدًا من Ni-Mn-Cu-Ga، حيث تختلف نسبة النحاس بكسور من المئة فقط.

الآلة الحرارية ليست مضطرة أن تكون حديدية. في العالم المصغر، يمكن لإلكترون واحد أن يلعب دور المكبس، وبدلاً من الوقود، يمكن أن تكون عملية القياس نفسها هي الوقود. «جيبان» متجاوران للإلكترونات يتصلان بجسر ضيق. يمكن للإلكترون أن يتواجد في الجيب الأيسر أو الأيمن، لكن الطبيعة الكمومية تسمح له بالتسرب عبر الجسر — وهذا ما يسمى النفق الكمومي.

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.

يترك الضوء أثراً حتى عندما يكون شبه معدوم. الفوتون الواحد — كتلة صغيرة من الطاقة — يسقط على صفيحة سيليكون ويحرّر حفنة من الإلكترونات. المشكلة أن هذه الحفنة صغيرة جداً بحيث لا يمكن ملاحظتها. نحتاج إلى مضخم. عادةً، تُضخَّم الإشارة بتطبيق جهد كهربائي على تلامسات معدنية على سطح الكاشف.

يبرد إبريق الشاي على الطاولة. تتبدد الحرارة في الهواء — وتضيع هباءً. لكن كان يمكن استخراج القليل من الكهرباء منها. الأجهزة التي تستطيع فعل ذلك تُسمى المولّدات الحرارية المغناطيسية (thermomagnetic generators). لا تحتوي داخلها على مكابس أو توربينات — فقط مادة تغيّر خصائصها المغناطيسية عند التسخين والتبريد. لكن حتى الآن تعمل هذه المولّدات ببطء وتفقد الكثير من الطاقة.

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.

يضرب الليزر البلورة، فتردّ بومضات ضوئية، تمامًا كما يرنّ الجرس عند ضربه. لكن إذا كان الجرس دافئًا، فإن صوته يهتز ويخفت. وهكذا هنا: ذرات البلورة تهتز باستمرار بسبب الحرارة، وهذا الاهتزاز يمنع الإلكترونات من التحرك بانتظام، لذا يصبح الضوء باهتًا ومشوشًا. أخذ العلماء بلورة Re6Se8Cl2، وهي مادة تتجمع فيها الذرات في كتل كبيرة تشبه مكعبات البناء. قاموا بتبريدها وراقبوا كيف يتغير سطوع الضوء المنبعث.

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.

مصيدة مغناطيسية على شكل كعكة محلاة تحصر بلازما من البورون والهيدروجين. في داخلها ترتفع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن مئة مليون درجة — أشد حرارة من مركز الشمس. عند هذه الحرارة تتصادم النوى وتندمج، محررةً الطاقة.

في البلورة العازلة، تنتشر الحرارة عادة من الطرف الساخن إلى الطرف البارد. ولكن عند تشغيل المجال المغناطيسي، ينحرف جزء من تدفق الحرارة إلى الجانب — مثل الماء الذي ينحرف قليلاً عن مساره عندما تدفعه الرياح أثناء تدفقه من التل. يُعرف هذا السلوك بالتأثير الحراري هول (thermal Hall effect).

إذا دفعت الحرارة عبر قطعة من الكوارتز، فإنها تسير عادةً في خط مستقيم، مثل الماء في أنبوب. ولكن بمجرد تشغيل مجال مغناطيسي، ينحرف التدفق قليلاً إلى الجانب، وكأن الأنبوب فجأة أصبح له فرع جانبي.

قطعة معدنية تُسخَّن من أحد طرفيها تولّد تيارًا كهربائيًا ضعيفًا — وهذا معروف منذ ما يقرب من مائتي عام. لكن ماذا لو استخدمنا بدل المعدن البسيط «شطيرة» متعددة الطبقات: موصل فائق، وعازل رقيق، وطبقة مسطّحة من الإلكترونات؟ عبر هذا الانتقال، تتسرّب الإلكترونات عبر النفق الكمومي، مثلما يتسرّب الماء عبر جدار مسامي، وفي الوقت نفسه تنقل الحرارة.

الضوء والذرات، مثل راقصين، يمكن أن يتحركا بتناغم أو بشكل متفرق. عندما يكون تفاعلهما اتجاهيًا — أي يعتمد على الاتجاه — يصبح الرقص أكثر تعقيدًا. في العمل الجديد، نظر الفيزيائيون في نموذج حيث تتفاعل مجموعة من الذرات (كيوبتات) بشكل جماعي مع مجال ضوئي اتجاهي، وكل مكوّن متصل بمستودع حراري. اتضح أن التباين الاتجاهي يمكن أن يغير جذريًا تدفق الحرارة عبر النظام.

السباح الذي يشق الماء بسرعة تساوي سرعة الأمواج الجارية عليه يجد نفسه في موقف غريب: الأمواج التي يولدها بنفسه لا يمكنها أن تتقدم عليه ولا أن تتخلف عنه. إنها تتجمع عند مقدمة السباح وتتجمد. ظاهرة مماثلة تحدث عندما يتحرك مصدر ضوء داخل وسط بسرعة تساوي سرعة نقل الطاقة للموجات.