موصلية فائقة طوبولوجية

في الموصل الفائق، حيث تتحرك الإلكترونات في أزواج دون مقاومة، قد تجري على الحواف موجات خاصة — مثل تموجات على حافة سجادة. هذه الأنماط الحافية خاصية مهمة للمادة، لكن قياس عددها مباشرةً صعب. اقترح العلماء أداة ذكية: جدار متحرك داخل الموصل الفائق يفصل بين مناطق ذات «لفّ» مختلف لأزواج الإلكترونات — ما يُسمى بمعامل الترتيب الكيرالي (chiral order parameter). عند فتح الجدار، يصبح قناة للحرارة.

الغرافين — بلورة كربون ثنائية الأبعاد بسماكة ذرة واحدة — قادر على تغيير خصائصه المغناطيسية مثلما يغير الماء حالته: تارةً يتدفق سائلاً، وتارةً يتجمد جليداً. في العمل الجديد، درس الفيزيائيون لأول مرة الديناميكا الداخلية لهذه العملية باستخدام مستشعر بحجم رأس الإبرة.

الموصل الفائق يشبه سلكًا مثاليًا — يمر فيه التيار دون أي فقد. لكنه يتطلب تبريدًا شديدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن عن مواد تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق هو ألا ننتظر الطبيعة، بل أن نبني المادة بأنفسنا، طبقة فوق طبقة، مثل لعبة التركيب. اختبرت مجموعة من الباحثين نظرية تنبأت بظهور «قبة» فائقة التوصيل في بنى طبقية اصطناعية.

في البلورة، لا تتوزع الإلكترونات عشوائياً. تخضع موجاتها لتناظر الشبكة البلورية، مثلما تأخذ تموجات الماء شكل الحلقة التي ألقيت فيه. يُظهر العمل الجديد: في نقاط التناظر العالية، يجب أن تحتوي هذه التموجات على عقد — أماكن تكون فيها كثافة الإلكترونات صفراً تماماً. بنى المؤلفون ثابتاً رياضياً (خاصية ثابتة) استناداً إلى تمثيلات التناظر.

فسيفساء من المربعات والمثلثات تغطي الأرضية دون فراغات، لكنها لا تترتب في نمط متكرر بسيط. هذا النمط هو بلورة شبه دورية، وهي مادة صلبة حيث لا تكون الذرات مرتبة بشكل دوري، بل بنمط من عدة موجات ذات أطوال مختلفة. هذه الموجات غير قابلة للقياس مع بعضها البعض، وتعمل معًا على خلق نظام بعيد المدى. في البلورات العادية، أي إزاحة للذرات تولد موجات صوتية — فونونات.

صفحتان من سيلينيد التنجستن — ليستا من الكربون، بل من مركب التنجستن مع السيلينيوم — تُدوران بالنسبة لبعضهما بزاوية صغيرة جدًا، حوالي 5 درجات. ينشأ نمط مواريه: شبكة دورية مكبرة، حيث تتصرف الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية. مؤخرًا، وُجدت موصلية فائقة في هذه الطبقات الملتوية.

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.

عادةً لا يتوافق الموصل الفائق مع المغناطيس: فالمجال القوي يدمر الحالة التي يمر فيها التيار دون مقاومة. لكن في الطبقات الرقيقة من الكربون، الأمور مختلفة.

إن بناء حاسوب كمومي قادر على حل مسائل تستعصي على الأجهزة الكلاسيكية يتطلب بتات كمومية (كيوبتات) موثوقة. ومن أروع الأفكار استخدام أنماط ماجورانا الصفرية كوحدات بت: إنها إثارات شبحية تتذكر مساراتها المتشابكة ولا تتأثر بالضوضاء الحرارية.

فيلم مغناطيسي رقيق يشبه صفًا من الجنود الصغار بإبر مغناطيسية صغيرة. في العالم المسطح، تهز الصدمات الحرارية هذا الصف بسرعة — أدنى تسخين يدمر النظام. هكذا يعمل حظر ميرمين-فاغنر (Mermin–Wagner): في بُعدين، لا ينجو التناظر المستمر عند درجة حرارة محدودة. لكن بمجرد نقل المغناطيس إلى سطح منحنٍ مثل السرج أو ورقة ملفوفة، تتغير القواعد.

السلك النانوي فائق التوصيل الطوبولوجي يشبه جسراً، على طرفيه يقف حارسان لا يفترقان، أنماط ماجورانا. هذه أشباه الجسيمات الغريبة، التي تم التنبؤ بها في الثلاثينيات، تعد بأن تكون أساس حاسوب كمي محصن ضد الأخطاء. لكن العالم الواقعي مليء بالضوضاء: أي قياس أو تسرب للجسيمات يهدد بتمزيق الرابط الهش.

تُضغط ورقة مطاطية من الجانبين. للوهلة الأولى، يبدو الأمر تشوهاً عادياً. لكن في الداخل، في عمق المادة، يستيقظ نظام خفي. ليست هذه مجرد ثنيات على السطح. إنها ولادة مناطق خاصة تُحبس فيها الاهتزازات وكأنها في مصيدة. كان يُعتقد سابقاً أن مثل هذه التأثيرات تتطلب شبكات معقدة وبنى دورية. لكن اتضح الآن أن قطعة صلبة متجانسة من مادة فائقة المرونة قادرة على ذلك بنفسها. السر يكمن في الضغط الشديد وغير المتساوي.

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.

أنت تبحث عن غرفة هادئة لإجراء محادثة مهمة. تدخل المكان — وتسمع الصمت. لكن بمجرد أن تدقق النظر، تكتشف: في أحد الزوايا، التهوية معطلة ببساطة، وفي زاوية أخرى، هناك انخفاض في الأرضية يخمد الصوت. تقريبًا هكذا يطارد الفيزيائيون أنماط ماجورانا الصفرية — وهي إثارات خاصة في الموصلات الفائقة قد تصبح خلايا مثالية للحسابات الكمومية. فهي محصنة ضد الاضطرابات، مثل محادثة في غرفة معزولة تمامًا.

مقلاة ضيقة وطويلة — وتبقى فطيرة رقيقة عليها بخطوط غير منتظمة. لعقود، رأى العلماء صورة مشابهة عندما قاموا بنمذجة سلوك الإلكترونات في الموصلات الفائقة — المواد التي توصل التيار دون فقدان. استخدموا «أسطوانات» ممدودة، وكانت النتيجة دائمًا واحدة: «أشرطة» مغناطيسية صلبة، يُعتقد أنها تعيق الموصلية الفائقة.

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.

البلورة تشبه صفًا من الجنود في ساحة العرض: كل ذرة في مكانها، والإلكترونات تسير فيه بموجات منتظمة. أما المادة غير المتبلورة فهي كحشد في محطة قطار، لا نظام فيه إطلاقًا، مجرد تدافع مستمر. في مثل هذا الحشد، عادةً ما تعلق الإلكترونات بسرعة، كشخص يحاول عبور كتلة بشرية كثيفة.

طبقتان رفيعتان كالورق من مادة شبه موصلة توضعان فوق بعضهما وتُلفان قليلاً — بزاوية تتراوح بين ثلاث وأربع درجات. الشبكات الذرية لا تتطابق، وينشأ نمط كبير — نمط موريه (moiré)، يشبه تموجات لوحين للغسيل مزيحين بزاوية صغيرة. في هذا النمط، تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية.

ألقِ على الطاولة عشر عملات معدنية. عدد توافيق الصورة والكتابة سيتجاوز الألف بقليل. لعشرين عملة — يصبح المليون. العدد ينمو بمعدل 2 مرفوعًا لأس عدد العملات، وهذا سريع. لكن الأنظمة الكمومية أغنى بكثير. كل جسيم هنا ليس عملة بوجهين، بل سهمًا قادرًا على الإشارة في أي اتجاه. للسهم الواحد اتجاهات كثيرة، وعندما يكون عدد الجسيمات N، فإن العدد الإجمالي للاتجاهات المستقلة يساوي q مرفوعًا للأس N.

طابور من الأشخاص يمسكون بأيدي بعضهم البعض لكنهم ينظرون في اتجاهات مختلفة: بعضهم نحو الشمال، وآخرون نحو الجنوب. هكذا يُبنى المغناطيس الموجي من النوع p. فالإلكترونات فيه ترتب عزومها المغناطيسية (لفاتها) ليس بشكل عشوائي، بل بنمط موجي صارم.

قطرة حبر تسقط في كوب ماء — وبعد دقيقة لا يمكنك أن تقول أين سقطت بالضبط. في العالم الكمومي، الأمر أكثر دراماتيكية: المعلومات حول حدث محلي تنتشر عبر النظام بأكمله بسرعة بحيث يتوقف أي مستشعر نقطي عن الإحساس بأي شيء قريبًا. يُسمى هذا بلاموضعية (delocalization) — وبالنسبة لأجهزة الاستشعار الكمومية، يبدو هذا وكأنه حكم بالإعدام. لكن الفيزيائيين وجدوا ثغرة.

طبقات المادة الرقيقة الملتوية بالنسبة لبعضها تشبه شبكات متراكبة فوق بعضها. عند نقاط تقاطع الخطوط ينشأ نمط جديد — نمط مواريه (moiré). في هذا النمط تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف عن البلورة العادية، وقد تشكّل حالات غير متوقعة. في العمل الجديد، أخذ الباحثون طبقتين من تيلوريد الموليبدينوم ولفّوهما بزاوية 4.8 درجة.

قماش يتمدد في اتجاه واحد فقط، وليس في الاتجاه العرضي. هكذا تقريبًا تعمل المادة شبه ديراكية: ففيها يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية في اتجاه واحد، بينما في الاتجاه الآخر لا تكاد تتحرك من مكانها. وبسبب هذا التباين غير المعتاد، تظهر على حواف البلورة ثنائية الأبعاد مسارات خاصة — قنوات أحادية البعد. تجري الإلكترونات على طول هذه القنوات فقط، وكأنها ماء في ميزاب.

القياسات المغناطيسية العادية ترى فقط سطح فائق التوصيل، حيث تعيق الحواجز والتدفقات اللزجة للمجال المغناطيسي. أما في الداخل، في ما يسمى بالحالة الوسيطة، تتعايش نطاقات فائقة التوصيل ونطاقات عادية، تفصل بينها جدران رقيقة. يمكن لهذه الجدران أن تتذبذب، لكن كان من الصعب سماعها مباشرة.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

سلك رفيع من مادة جديدة ينقل الكهرباء دون فقدان إذا تم تبريده إلى ثلاث درجات فوق الصفر المطلق. الأمر يشبه الماء الذي يتدفق في أنبوب دون أن يواجه احتكاكًا بجدرانه. المادة تُدعى PtPb3Bi، وخصوصيتها تكمن في بنيتها الداخلية التي تشبه حزمة خيوط: الإلكترونات تجري بحرية على طول الخيط، لكنها تجد صعوبة في القفز بين الخيوط.

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.

سيارتان متطابقتان تخرجان من خط التجميع نفسه. الهيكل، والعجلات، والمقود: كل شيء متطابق. فقط في إحداهما محرك بنزين عادي، وفي الأخرى محرك هجين يمكن ضبطه حسب الطريق. وإذا بالهجين يتعطل بعد بضعة كيلومترات، بينما البنزين يقطع عشرات الكيلومترات. هذا هو الحال تقريبًا مع نوعين من الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي اللبنات الأساسية للحاسوب الكمومي.

وفقًا لنظريات تتجاوز النموذج القياسي — أفضل وصف لدينا للجسيمات الأولية وتفاعلاتها — وُلدت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم أزواج من الأحادية المغناطيسية. وهي جسيمات افتراضية تحمل قطبًا مغناطيسيًا واحدًا فقط — "شماليًا" أو "جنوبيًا" — على عكس المغناطيسات المألوفة حيث لا ينفصل القطبان.

الموصل الفائق العادي يعمل كموصل مثالي: تتحد الإلكترونات في أزواج وتجري دون مقاومة. في المادة الجديدة TaPtSi، تُرتَّب الأزواج بشكل مختلف — تماثلها الداخلي ملتوٍ، وعند التبريد إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة، تنشأ مجالات مغناطيسية صغيرة تلقائيًا داخل البلورة. الأمر يشبه ظهور أسهم بوصلة غير مرئية فجأة داخل قطعة معدنية مجمدة، تشير في اتجاهات مختلفة.

في غشاء رقيق من مادة فائقة التوصيل، تظهر بين الحين والآخر نبضات في التيار الكهربائي. إنها تشبه بصمات الأصابع، لكن لمن تعود ليس واضحًا من البداية. بعضها تتركه جسيمات غامضة قد تصبح أساسًا لحاسوب كمومي موثوق. والبعض الآخر مجرد تموّجات في المادة، لا قيمة لها.

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.

الضوء عادةً يسير في خط مستقيم، مثل شعاع مصباح يدوي. لكن يمكن لفه مثل الماء في قمع، فتظهر دوامة في الشعاع. هذا الضوء الملتوي قادر على حمل بيانات أكثر: فالدوامات المختلفة لا تتعارض مع بعضها، تمامًا كالقنوات الراديوية المختلفة. كانت المشكلة في صنع مصدر لهذا الضوء صغير بما يكفي ليوضع على رقاقة.

الهيليوم السائل المبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق يتصرف كسائلين في آن واحد: جزء عادي لزج وجزء فائق السيولة يتدفق دون احتكاك. عندما يصطدم مثل هذا التدفق بأسطوانة، تولد دوامات خلفها. لكن في بعض الأحيان تظهر الدوامات أيضًا أمام الأسطوانة — في منطقة لا يُفترض أن توجد فيها وفقًا للقوانين الكلاسيكية.

في الفائق التوصيل، تتحرك الإلكترونات في أزواج، مثل الأزواج في الرقص. عادةً، يمر زوج واحد في كل مرة عبر الوصلة بين فائقَي توصيل. لكن إذا أُضيف قطب ثالث، تتعقد الرقصة: يمكن لزوجين أن يتحركا معًا، مشكلين رباعيًا. هذا الرنين الرباعي تحديدًا هو ما شوهد لأول مرة في وصلة غرافين بثلاثة أقطاب. الغرافين هو صفيحة كربون بسمك ذرة واحدة.

السلك العادي عند الترددات العالية يشبه طريقًا مليئًا بالحفر: الإشارة تقفز، وجزء من الطاقة يتحول إلى حرارة. أما السلسلة فائقة التوصيل المصنوعة من الألومنيوم وزرنيخيد الإنديوم (أشباه الموصلات) فقد تبين أنها طريق سلس للموجات الدقيقة. تحتوي السلسلة على العديد من الوصلات المتماثلة — وصلات جوزيفسون (Josephson junctions)، حيث يتدفق التيار دون مقاومة بفضل أزواج الإلكترونات الكمومية.

في قلب الموصل الفائق، تندمج الإلكترونات لتكوين أزواج كوبر وتتحرك دون مقاومة. ولكن إذا نشأت دوامة في هذا النظام المثالي — وهي منطقة صغيرة تختفي فيها الموصلية الفائقة — تظهر هناك إثارات خاصة: شبه جسيمات بوغوليوبوف. لفترة طويلة، اعتُبرت مرشحة لتكون فرميونات ماجورانا، وهي جسيمات تعتبر جسيمات مضادة لنفسها.

الأطوار الطوبولوجية عادة ما تختبئ في المبردات. الدوائر فائقة التوصيل، الذرات فائقة البرودة، النبضات الليزرية، كلها تحمي النظام الكمي من الضوضاء الحرارية.