موصلية فائقة في الأغشية الرقيقة

غشاء شفاف من أكسيد البزموت-تنجستن موضوع على ركيزة ولا يوصل التيار. ثلاث دقائق في سحابة بلازما النيتروجين تجعله يسودّ، وتنخفض مقاومته بمقدار مليار مرة. السر ليس في ذرات جديدة، بل في إعادة ترتيب الذرات القديمة: الأماكن الفارغة التي كانت تحتضن الأكسجين تصطف في صفوف منتظمة، كجنود ينفذون أمرًا. هذا الصف من الفراغات يتحول إلى طريق للإلكترونات.

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.

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.

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.

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.

رقاقة دقيقة بحجم الظفر تطلق من الحرارة ما يعادل ما تطلقه مصباح صغير. تبديد هذه الحرارة يشبه محاولة إفراغ كوب من الشاي الساخن بملعقة صغيرة: فالمادة العازلة حول الترانزستورات عادةً ما تكون رديئة التوصيل للحرارة.

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.

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%.

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.

الخزّاف ينقش نقشًا على بلاطة طينية ما زالت رطبة باستخدام أداة حادة. حركة خاطئة واحدة — فينزلق الخط وتتشقق البلاطة. هكذا تقريبًا يتعامل الفيزيائيون مع أغشية الموصل الفائق عالي الحرارة YBCO (مركب من الإيتريوم والباريوم والنحاس والأكسجين). لكن أداتهم هي حزمة رفيعة جدًا من أيونات الهيليوم، والبلاطة هي طبقة سيراميك بسماكة مئات الذرات.

تتصرف الإلكترونات في الموصل العادي مثل حشد فوضوي: فتصطدم ببعضها البعض وبعيوب الشبكة البلورية، فتفقد طاقة تظهر كمقاومة كهربائية. أما في الموصل الفائق، فتتحرك الإلكترونات بتناسق، كأزواج في رقصة منسقة، دون أن تصطدم ببعضها. وتتميز هذه الحالة بانخفاض الإنتروبيا — وهو مقياس للفوضى في النظام. هذا السلوك نادر في الفلزات النبيلة مثل الذهب والنحاس.

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.

بلورة تشبه كومة من الفطائر الرقيقة وُضعت على ركيزة ناعمة من أكسيد المغنيسيوم. فنتج غشاء بسمك مئات الذرات. وعندما مررنا فيه تيارًا كهربائيًا وشغّلنا المغناطيس، زادت المقاومة بنحو الربع تقريبًا — بنسبة 22.5% عند مجال 9 تسلا. داخل الغشاء، تنقل الكهرباء تياران من الجسيمات. بعضها سريع وخفيف، مثل راكبي الدراجات النارية على طريق مفتوح. والبعض الآخر بطيء وثقيل، مثل الشاحنات في زحام مروري.

أرضية فسيفسائية من بلاطات صغيرة كثيرة، كل منها ملتوية في اتجاه مختلف. يبدو أن أي نمط يحاول عبور هذه الأرضية لا بد أن يضطرب ويختفي. هكذا يُفكر عادةً في الاضطراب داخل البلورات: إذا لم تترتب الذرات في شبكة مثالية، فإن التأثيرات الكمومية الدقيقة يجب أن تتدمر.

عندما تضغط على مفتاح الإضاءة، لا يضيء الضوء فورًا — تحتاج الإلكترونات في الأسلاك إلى وقت «لتتأرجح» وتنطلق معًا. في المعادن وأشباه الموصلات العادية، يكتسب التيار قوته تدريجيًا، مثل الماء في خرطوم عند فتح الصنبور للتو. لكن في مواد تُسمى أشباه الفلزات ذات الهندسة الكمومية، الأمر مختلف تمامًا: بمجرد تطبيق المجال، تنطلق الإلكترونات وكأنها بأمر «انطلق!» دون أي إحماء.

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.

الترانزستور العادي في هاتفك يُصنع داخل غرفة مفرغة، حيث تترسب الذرات طبقة فوق طبقة. مكلف وبطيء. لكن أكسيد الإنديوم يمكن طباعته مثل الحبر — من قطرة معدن سائل تتغطى تلقائيًا بغشاء أكسيد رقيق عند ملامستها الهواء. أخذ الباحثون الإنديوم، صهروه، ولفّوه على ركيزة عند 250 درجة. النتيجة: طبقة متعددة البلورات بسماكة 5 نانومتر فقط — أرق بألف مرة من شعرة الإنسان.

الموصل الفائق يشبه مدينة يتدفق فيها التيار الكهربائي دون إشارات مرور أو ازدحام. لكن لبلورة UTe2 خصوصية: سطحها يخضع لقواعد مختلفة عن داخلها. على ذرات التيلوريوم الموجودة على السطح، وجدت الإلكترونات "منفذًا" — حالات بطاقات محظورة داخل البلورة. هذه الحالات تملأ تقريبًا فجوة الطاقة — الفجوة التي تبقى فارغة في الموصل الفائق العادي.

سبيكة البالاديوم والتيلوريوم التي أُضيف إليها القليل من الذهب تتصرف كسلك يفقد مقاومته عند التبريد. عند الضغط العادي، بلغت درجة حرارة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق للعينات الثلاث ذات المحتوى المختلف من الذهب 2.7 و4.1 و4.6 كلفن — وهذا أبرد من المجمد، تقريبًا مثل الفضاء الخارجي. ضغط العلماء هذه العينات في غرفة خاصة، كما لو كانوا يثبتونها في ملزمة، وراقبوا التغيرات.

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.

تُلف ورقة الغرافين بسمك ذرة واحدة بزاوية صغيرة، فتبدأ بالتصرف مثل كعكة ذات طبقات، حيث تكون الطبقات مستدارة قليلاً بالنسبة لبعضها البعض. عند زاوية معينة من الدوران، تصبح هذه المادة موصلًا فائقًا: تبدأ الإلكترونات بالتحرك في أزواج، مثل الراقصين في رقصة الفالس، دون فقدان الطاقة. لكن ما يحدث بالضبط في الداخل ظل لغزًا حتى الآن.

عادةً، للحصول على موجات تيراهرتز (وهي ضوء يقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء)، يُبنى هيكل من طبقات معدنية مختلفة. في هذا الهيكل، تعمل إحدى الطبقات كمصدر والأخرى كمستقبل للشحنات. وكان البلاتين في مثل هذه التصاميم يؤدي دور موصل بسيط. لكن اتضح أنه يمكنه العمل بمفرده أيضًا.

غشاء رقيق من أكسيد النيكل بسمك يبلغ عشرات النانومترات — مثل ورقة مطوية مئات المرات. في درجة حرارة الغرفة، يوصل الكهرباء، لكن بمجرد تبريده قليلاً يصبح عازلاً. هذا الانتقال من موصل إلى عازل معروف منذ زمن طويل، لكن كيف تتصرف الحرارة خلاله ظل لغزاً.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة — مثل مفرش طاولة ناعم تمامًا تتدحرج عليه كرات إلكترونية. ضع حاجزًا كهربائيًا في مسار هذه الكرات — وعادةً سترتد إلى الخلف. لكن في الغرافين الأمر مختلف: في ظل ظروف معينة، تمر الإلكترونات عبر الحاجز دون أن تلاحظه، وكأنه جدار من الضباب. درس مؤلفو العمل الجديد نموذجًا ثنائي الأبعاد للإلكترونات في الغرافين تحت تأثير مجال كهربائي قابل للضبط.

المعدن هو بحر من الإلكترونات تتحرك بحرية تقريبًا، ولا تتصادم إلا نادرًا. لكن في بعض المواد، يصبح هذا البحر فجأة لزجًا وغير قابل للتنبؤ: تتوقف الإلكترونات عن التصرف كجسيمات مستقلة. يسمي الفيزيائيون هذه الحالة «غير فيرمي-سائلة»، وما زالت لغزًا حتى اليوم.

الذرات المغناطيسية في الأجسام الصلبة تشبه إبر البوصلة: عادةً عند التبريد، تستقيم في اتجاه واحد — وهكذا ينشأ المغناطيسية. لكن في مادة TbInO3، تجلس إبر التربيوم على شبكة مثلثية حيث يستحيل إرضاء جميع الجيران في آنٍ واحد. إبرة تريد أن تتجه نحو الشمال، وأخرى نحو الجنوب، وفي النهاية لا تستطيع أيٌّ منها أن تستقر في وضع ثابت.

الموصل الفائق هو مادة، عند تبريدها بشدة، توصل التيار دون فقدان، مثل الماء الذي يتدفق في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا ضربته بومضة ضوئية قصيرة، فإنه يفقد هذه الخاصية بسرعة. في التجربة الجديدة، أضاء العلماء غشاءً رقيقًا من نيتريد النيوبيوم وقاسوا خلال كم جزء من مليار من الثانية تختفي الموصلية الفائقة.

اللحام التقليدي لا يصلح للدوائر الكمومية: فعند التبريد إلى درجة حرارة الهيليوم السائل يتشقق المعدن، والتماسات نفسها تُدخل ضوضاء. جرّب مهندسون من مجموعة بحثية نهجًا آخر — قطرة من سبيكة غاليوم تبقى سائلة في درجة حرارة الغرفة، مثل الزئبق في ميزان حرارة قديم.

ورقة بسمك أرق بمئات المرات من شعرة الإنسان — هكذا يمكن وصف الغشاء الذي زرعه العلماء من أكسيد الفاناديوم. داخل هذا الغشاء، تتحرك الإلكترونات، حاملات التيار الكهربائي الصغيرة، دون تصادمات تقريبًا. وكأنها سيارات على طريق سريع فارغ في الليل، تتسارع ولا تفقد سرعتها. لفهم كيفية حدوث ذلك، قام الباحثون بتبريد الغشاء إلى 269 درجة مئوية تحت الصفر ووضعوه في مجال مغناطيسي قوي.

الصوت على سطح البلورة يشبه تموجات الماء، لكنه يجري على جسم صلب. هذه التموجات تُسمى الموجة الصوتية السطحية (surface acoustic wave): فهي تتحرك أبطأ من الضوء بمئة ألف مرة، لذا يمكن ضغطها في مقاطع قصيرة جدًا ووضعها على شريحة صغيرة. عادةً تُطلق هذه الموجات بواسطة أمشاط معدنية من الألومنيوم أو الذهب.

فيلم رقيق من النيوبيوم والقصدير يوصل التيار دون مقاومة ما لم يُجعل رقيقًا جدًا. عندها يتحول فجأة إلى عازل. قامت مجموعة من الفيزيائيين باختبار ماذا يحدث إذا أُضيف إلى الفيلم قليل من القصدير أكثر مما تتطلبه الصيغة. تمت زراعة الأغشية بالرش على ركيزة من السيليكون — تشبه إلى حد ما الطلاء بالرش، لكن بالذرات. في الأغشية ذات القصدير الزائد، كانت حبيبات البلورات أدق، وحدودها أكثر وضوحًا.

الحاسوب الكمومي يشبه آلة موسيقية: حتى الخدش الصغير على الوتر يفسد الصوت. بدلاً من الأوتار، لدينا رنانات فائقة التوصيل، وهي مسارات رفيعة من نيتريد التيتانيوم على رقاقة سيليكون. يجب أن تخزن المعلومات الكمومية، لكن أي تفاوت أو ذرة زائدة على السطح تستهلك الطاقة، مثلما يخمد الشق في الجرس رنينه.

المادة الطبقية (SnS)1.15(TaS2) تشبه رزمة من الورق، حيث توصل الصفائح التيار الكهربائي، وبينها طبقات عازلة تمنع الصفائح من الالتصاق ببعضها. عند الضغط العادي، توصل هذه المادة التيار دون مقاومة، أي أنها موصل فائق.

الموصل الفائق العادي والمجال المغناطيسي مثل الماء والنار: فالمجال يكسر أزواج الإلكترونات التي تنقل التيار دون مقاومة. ولكن بدلاً من فيلم متصل، إذا استخدمنا حبيبات ألومنيوم دقيقة متناثرة، كل منها مغطاة بطبقة رقيقة من الأكسيد، يتغير الوضع. هذه الحبيبات، المترسبة على رقاقة من الجرمانيوم والسيليكون، تتحمل مجالاً موجهاً على طول السطح وعرضه.

البلورة تشبه فسيفساء مرصوفة بشكل مثالي من الذرات. لكن زراعة مثل هذه الفسيفساء مهمة صعبة: أدنى خلل في الترتيب يؤدي إلى ظهور "درزات" — حدود لا تتطابق فيها صفوف الذرات. بالنسبة للإلكترونيات العادية، هذا أمر بسيط، أما بالنسبة للحاسوب الكمي فهو كارثة. البت الكمي (الكيوبت) يخزن المعلومات في حالة هشة تتدمر من أدنى اضطراب في المادة.

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.

الإلكترون في المعدن عادةً يشبه شخصًا في ساعة الذروة: يصطدم باستمرار بالآخرين ويفقد اتجاهه. لكن إذا أزلنا العوائق، يمكنه أن يطير في خط مستقيم، مثل سيارة على طريق سريع فارغ في الليل. هذا الحركة تسمى باليستية (ballistic) — من كلمة "منجنيق"، الآلة الحربية القديمة التي كانت تقذف الحجر دون عوائق. أخذ العلماء غشاء نحاسيًا بسمك 90 نانومترًا — أي أرق بألف مرة من شعرة الإنسان — وأزالوا منه جميع الحدود بين الحبيبات البلورية.

يسقط ضوء الشمس على السطح، وتولد الإلكترونات في الغشاء الرقيق. يجب أن تصل إلى الأسلاك قبل أن تبرد وتفقد طاقتها. في كبريتيد القصدير — مادة رخيصة ومتاحة للبطاريات — تم تصوير هذا الجري والتبريد بدقة غير مسبوقة: اللقطات تتبع بعضها البعض كل جزء من مليار من مليار جزء من الثانية. نبضة الليزر تقذف الإلكترونات، مثل ضربة عصا البلياردو التي تسرع الكرات.