وصلة نفقية

الطريق لا يُبنى بهدم المنازل المجاورة: أولاً تُفرش طبقة الأسفلت، ثم يُزال الزائد حتى يظهر سطح مستوٍ. هذا ما فعله فيزيائيون من هايدلبرغ عندما تناولوا إنتاج وصلات جوزيفسون، وهي شطائر صغيرة من موصل فائق وعازل يمر عبرها التيار دون مقاومة. سابقًا، كانت هذه الوصلات تُصنع بإزالة القناع الواقي، كما لو كنت تهدم المباني لإفساح المجال للطريق. كانت هذه الطريقة بطيئة وتترك حوافًا خشنة.

وصلة جوزيفسون هي جسر من مادة فائقة التوصيل يفصل بين طرفيه طبقة عازلة رقيقة جدًا. يمر عبره تيار حتى في غياب الجهد الكهربائي. لكن عندما يصبح التيار كبيرًا جدًا، يبدأ الجسر في التذبذب، وتظهر على منحنى الجهد درجات منتظمة — درجات شابيرو. بين هذه الدرجات تختبئ فجوات غير مرئية حيث يتصرف النظام بشكل غريب. في السابق، كان يُنظر إليها على أنها مجرد فضول رياضي. مؤلفو الدراسة كشفوا في هذا الفضول ارتباطًا عميقًا.

قطرة بعد قطرة من الصنبور — أو تيار منتظم دون أي تموج. هكذا يبدو النمطان من التيار في وصلة فائقة التوصيل تقريباً. لكن دور الماء تلعبه أزواج كوبر — إلكترونات مرتبطة تتحرك دون مقاومة. في أحد الحدين، تتسرب الأزواج واحداً تلو الآخر، مثل قطرات نادرة: التيار يسري لكن مع خسائر. وفي الآخر، تتدفق كتيار واحد دون أي احتكاك.

في الحلقة التي يبلغ طولها 21 كيلومترًا في بروتفينو قرب موسكو، كان يُخطط يومًا لتسريع البروتونات. اليوم، يمكن لهذا النفق نفسه أن يستضيف آلة مختلفة تمامًا — مصادم ميوني. الميون هو قريب ثقيل للإلكترون، وهنا تكمن قوته. الإلكترون عند منعطف الحلقة يُصدر إشعاعًا كالكشاف الضوئي، فاقدًا طاقته الثمينة. أما الميون فيُصدر إشعاعًا أضعف بمليار مرة.

الكتاب مفتوح في منتصفه. يجري التيار على طول ظهر الكتاب، بينما تبقى الصفحات باردة. هكذا تقريبًا يعمل العازل الطوبولوجي ثنائي الأبعاد — مادة يتدفق فيها الكهرباء فقط عبر الحواف، بينما يظل الداخل ثابتًا. كان يُعتقد سابقًا أن هذه الحيلة تتطلب بلورات خاصة ذات "دوامة" داخلية قوية تقلب نطاقات الطاقة. الأمر أشبه بالبحث عن كتاب بظهر موصل مدمج — الخيارات محدودة.

كل شيء يبدأ بندبةٍ صغيرةٍ — نفقٍ رفيعٍ يصل بين كونَين. في علم الكون الكمومي، كان النقاش منذ زمنٍ طويلٍ حول إمكانية أن يكون كوننا المغلق قد وُلد من «لا شيء» عبر النفق (وهي ظاهرةٌ يتجاوز فيها النظام حاجزًا لا يمكن تخطّيه بالمعايير العادية).

المفارقة الكلاسيكية لمبيمبا — تجمد الماء الساخن أسرع من البارد — ظلت تحير العلماء لقرون. لم تقدم الميكانيكا الإحصائية غير المتوازنة تفسيرًا إلا مؤخرًا: المسألة كلها تتعلق بالشروط الحدودية؛ فكأن النظام يبحث عن ذريعة «للاصطدام بالجدار» كي يسرع التبريد. هذا المبدأ نفسه، عند نقله إلى العالم الكمومي، يولد تأثيرًا أكثر إدهاشًا — اندفاع تبريد كمومي نفقي.

النفق الكمومي — قدرة الجسيمات على عبور حواجز تمنعها الفيزياء الكلاسيكية — يغذي النجوم عبر الاندماج النووي الحراري، ويشعل التخليق النووي البدائي، ويهبنا ذاكرة الفلاش. لكن عندما يتسرب عبر الحاجز ليس فرداً واحداً، بل مجموعة كاملة من الجسيمات، فإن سلوكها يشبه حشداً يحاول الضغط عبر ممر ضيق: التفاعل بينها يغير الصورة جذرياً.

في الجبال يوجد سرج — نقطة يمر فيها الطريق من وادٍ إلى آخر. إذا وقفت عليه تمامًا، تخطو خطوة وتجد نفسك تنزل على منحدر جديد. في الكيمياء، يُسمى هذا المكان الحالة الانتقالية: لحظة وجيزة تتجمد فيها الذرات على عتبة التحول. لنحو مئة عام، كان الفيزيائيون على يقين من أن هذا الممر يختفي في العالم الكمومي.

يمكن للأرجوحة أن تتأرجح بقوة أو بشكل بالكاد ملحوظ. عادة، إذا تُركت دون تدخل، تبقى في الوضع المختار. لكن في العالم المصغر، الأمر مختلف: غشاء صغير يهتز تحت تأثير شعاع ليزر يمكنه القفز تلقائيًا من سعة اهتزاز إلى أخرى. هذا يشبه الهروب من مدار إلى مدار مجاور، لكن ما يحرك هذا الهروب ليس صاروخًا، بل الضجيج الكمومي المنتشر في كل مكان.

الذرة مثل قائد الأوركسترا، والضوء داخل الرنان هو الأوركسترا. تبادل الطاقة بينهما، المعروف باسم تفاعل جينز-كمينغز (جزء من النموذج القياسي)، يسمح للذرة بتغيير إيقاع ونغمة التذبذبات بحركات "العصا". لكن حتى الآن، كان بإمكان القائد أداء عدد قليل فقط من المقطوعات المُعدّة مسبقًا — مجموعة الحالات المتاحة للمجال الضوئي كانت محدودة.

مغناطيس صغير يطفو في فخ مغناطيسي، مثل إبرة عديمة الوزن. محوره الممغنط كإبرة بوصلة عنيدة، ممنوعة من الدوران. أمامه يرتفع جدار غير مرئي. لكن في عالم الكم، الجسيمات تستطيع التسرب عبر الحواجز — وتسمى هذه الحيلة بالنفق الكمي.

العدم الكمومي يشبه الماء في قدر قبل الغليان. من حين لآخر تنشأ فيه فقاعة تلقائياً — ليست فقاعة بخار، بل فقاعة كون كامل. هذه الفقاعة لا تنهار، بل تتمدد لتصبح زمكاناً، وتُشعل الانفجار العظيم الخاص بها. السؤال هو: كم مرة يحدث ذلك؟ أخذ الفيزيائيون هذه الاستعارة على محمل الجد وحسبوا الاحتمالية بدقة. لتحقيق ذلك، استخدموا حيلة رياضية: حوّلوا الزمن إلى بُعد مكاني رابع.

يسقط حجر في بركة ماء — فتنتشر دوائر على سطح الماء. لكن إذا كان الحجر صغيرًا جدًا، والماء ليس عاديًا تمامًا، تمر الدوائر عبره دون أن تلاحظه. هكذا تقريبًا تتصرف الاهتزازات الصوتية في الهيليوم فائق الميوعة: عند الطاقات المنخفضة للغاية، تتسرب عبر العوائق وكأنها غير موجودة. يسمي الفيزيائيون هذا النفق الشاذ.

جسر من الألومنيوم بسماكة بضع ذرات هو قلب العديد من الأجهزة الكمومية. عبر هذا الجسر، يتدفق التيار دون مقاومة، ويمكن التحكم فيه بواسطة مجال مغناطيسي. تُسمى هذه الجسور وصلات جوزيفسون نسبةً إلى الفيزيائي البريطاني الذي وصف سلوكها. عادةً ما تُصنع باستخدام شعاع إلكتروني، لكن ذلك مكلف وبطيء. الطريقة الجديدة تستغني عن الشعاع الإلكتروني.

الجسيمات الكمومية قادرة على عبور العوائق، وكأنها كرة تجد نفسها فجأة داخل تل وتخرج من الجانب الآخر. هذا تأثير النفق — وهو نتيجة مباشرة للطبيعة الموجية للمادة — فسّره جورج جاموف أثناء فكّه لآلية اضمحلال ألفا: كيف تغادر الجسيمات النواة الذرية متجاوزةً الحاجز الكامن.

الذاكرة العادية في جيبك تسخن حتى عندما تكون خاملة. تخيل الآن ذاكرة لا تستهلك شيئًا تقريبًا في البرد - مثل ترمس لا يبرد. الموصل الفائق عند درجة حرارة الهيليوم السائل يوصل التيار دون فقدان، لكنه لم يكن قادرًا على تخزين البيانات. الخلية الجديدة تغير هذا.

الملقط البصري هو شعاع ليزر يمسك بذرة في نقطة واحدة، كما تمسك الأصابع بحبة البازلاء. من هذه الملاقط تُبنى شبكات كاملة من الذرات، وهي أساس أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية. لكن هناك مشكلة: لا تدخل الذرة إلى كل ملقط. عادةً، تمتلئ نصف المصائد فقط، وبالنسبة للجزيئات تكون النسبة أقل من ذلك. الأماكن الفارغة تكسر البنية بأكملها.

داخل كل عصبون يوجد قناة طويلة رفيعة — المحور العصبي (الأكسون) — ينتقل عبره الإشارة من جسم الخلية إلى الخلايا الأخرى. ولكي تعمل هذه القناة، تتنقل عبرها باستمرار الميتوكوندريا — وهي عضيات صغيرة تنتج الطاقة. تتحرك في الاتجاهين، مثل السيارات على طريق ضيق.

الاندماج النووي الحراري — اندماج بروتون مع نواة البورون-11 — يبشر بمصدر طاقة شبه مثالي: بدون تدفق النيوترونات الخطرة، فقط تدفق جسيمات مشحونة يمكن تحويله مباشرة إلى تيار كهربائي. لكن هنا تبرز المشكلة الأساسية لحاجز كولوم.

يجري النهر نحو الدوامة، لكن في طريقه سدٌّ به فتحة. معظم الماء يتجمع أمام السد، لكن جزءًا منه، بعد أن يرتفع، يعبر فوقه ويسقط مباشرة في القمع. هكذا هو الحال مع الغاز في المجرة: إنه يتدفق نحو المركز، لكنه يصطدم بحلقة من النجوم والغاز — إنها مثل السد. عادةً ما يتوقف كل شيء هناك، ملتفًا في دوامة كثيفة.

غالبًا ما تُبنى الدوائر فائقة التوصيل على وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) — وهي أماكن يتدفق فيها التيار دون مقاومة عبر حاجز رقيق. عادةً ما يكون هذا الحاجز طبقة أكسيد، لكن من الصعب التحكم في خصائصها على المستوى النانوي. في العمل الجديد، يصبح الحاجز طبقة رقيقة من نيتريد النيوبيوم أو التيتانيوم، محصورة بين طبقات من النيوبيوم.

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.

النقطة الكمومية (quantum dot) هي كجزيرة صغيرة يمكن أن يستقر عليها إلكترون واحد أو عدة إلكترونات. في العمل الجديد، رُبطت هذه الجزيرة بـ«بحرين» من الإلكترونات: أحدهما مسطح كالفطيرة، والآخر حجمي كالمحيط. يمكن للإلكترونات أن تقفز من الجزيرة إلى البحرين وبالعكس، وتعتمد هذه القفزة على شكل موجة الإلكترون على الجزيرة.

الكيوبت الفائق التوصيل العادي يشبه أرجوحة تهزها أي نسمة هواء. أدنى تغيير في الشحنة الكهربائية المجاورة يفسد الحالة الكمومية. في العمل الجديد، صنع الفيزيائيون أرجوحة بقاعدة ثقيلة: الشحنة على جزيرة الكيوبت لا يمكن أن تتغير إلا في أزواج، كما لو كان يتم إلقاء العملات المعدنية في حصالة اثنتين اثنتين فقط. هذه هي الحماية من ضجيج الشحنة.

عادةً ما يمرر ديود أشباه الموصلات التيار في اتجاه واحد فقط، مثل باب بنابض: في اتجاه يُفتح بسهولة، وفي الاتجاه الآخر يصطدم. لكن إذا أشبعنا البلورة بالشوائب بشدة، يبدأ الباب في التصرف بغرابة: عند الجهد العكسي، لا يتدفق التيار فحسب، بل يقفز فجأة. تسمى هذه الديودات بديودات النفق لأنه كان يُعتقد أن الإلكترونات تخترق الحاجز مثل الأشباح عبر الجدار — وهذا هو النفق الكمومي. يقترح مؤلفو الدراسة الجديدة آلية أخرى أكثر واقعية.

القناة الأيونية في غشاء الخلية هي بوابة بعرض عدة ذرات. تمر عبرها كل ثانية ملايين الجسيمات المشحونة — أيونات الصوديوم والبوتاسيوم. قالت الفيزياء الكلاسيكية: لكي يعبر الأيون، عليه أن يقفز فوق حاجز الطاقة، مثل مسافر يضطر لتسلق ممر جبلي مرتفع. لكن الحسابات أظهرت أن القنوات تسمح بمرور أيونات أكثر بكثير مما ينبغي في حالة هذا القفز.

في بلورة المعدن، تصطف الذرات في صفوف منتظمة، مثل الطوب في الجدار. لكن إذا نُزع طوبة واحدة، تبقى فراغ — يُسمى فراغًا (vacancy). تحت التشعيع، يزداد عدد هذه الفراغات، فتبدأ بالاندماج في ثقوب كبيرة، ويفقد المعدن صلابته. هذا يشبه أن تندمج الثقوب في جدار من الطوب لتُحدث فجوة نافذة. أخذ العلماء التنجستن — وهو معدن شديد الانصهار يُستخدم في المفاعلات النووية — وأضافوا إليه عدة عناصر أخرى.

تتصرف الإلكترونات في الناقل مثل حشد على سلم متحرك: كل واحد بمفرده، لكنهم معًا يشكلون تيارًا. إذا أُجبرت على الدوران في حلقة، فإن زخمها الزاوي (مقياس الدوران) يمكن أن يرتبط بالمجال المغناطيسي، مثل التروس في الساعة. في العمل الجديد، تم النظر في هذا الارتباط تحديدًا: مجال مغناطيسي مكمم في دارة مصغرة (مرنان LC) يؤثر على الإلكترونات، مما يجعلها تتزامن.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف نغمته بدقة. لكن في القاعة هناك ضجيج غير مرئي — عيوب في التماسات فائقة التوصيل تُخرج الكيوبتات عن الإيقاع. تُسمى هذه العيوب أنظمة ذات مستويين. إنها مثل الشقوق الصغيرة في الزجاج: صغيرة، لكنها قادرة على إفساد الصورة كاملة. قرر مؤلفو الدراسة معرفة مصدر هذه الشقوق.

في الدوائر فائقة التوصيل التي تُبنى منها الحواسيب الكمومية، تولد من وقت لآخر جسيمات زائدة — جسيمات شبه كمومية (quasiparticles). تشبه هذه الجسيمات المارة العشوائيين الذين يقتحمون عمل المعالج ويفسدون الحسابات. تعلم العلماء التقاط هذه الأحداث في الزمن الحقيقي على كيوبتين متجاورين — عنصرين فائقَي التوصيل حساسين للشحنة.

الموصل الفائق هو مادة يتدفق فيها التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا نشأت دوامات فيه، يبدأ التيار في «التعثر» بهذه الاضطرابات الصغيرة. في الغرافين الملفوف بزاوية خاصة، يمكن إنشاء مثل هذه الدوامات ودراستها واحدة تلو الأخرى. بنى العلماء جهازًا يشبه جسرًا ضيقًا بين ضفتين فائقتين للتوصيل.

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.

يتصرف الصوت في صفيحة رقيقة مثل تموجات على سطح الماء: ينتشر، وينعكس عن الحواف، ويغير شكله. لكن للصوت غرابة واحدة — فهو يستطيع المرور عبر أماكن يُمنع فيها وجود الموجة. هذا يشبه ما لو أن تموجات على بركة اختفت فجأة أمام حاجز حجري وظهرت من الجانب الآخر دون أن تلتف حوله. أخذ العلماء صفيحة متغيرة السماكة — تتناقص تدريجيًا مثل الإسفين.

خمس ذرات كالسيوم مشحونة تطفو في مصيدة، محتجزة بحقول كهربائية. يزيل التبريد بالليزر طاقتها الزائدة، فتصطف في هرم صغير ذي قاعدة مربعة. لكن هذا الهرم لا يبقى ثابتًا: من وقت لآخر ينقلب، وكأن أحدهم يقذفه في الهواء ويلتقطه مقلوبًا.

البت الكمومي يشبه الشوكة الرنانة التي تهتز بترددها الخاص. لمعرفة حالتها، نضع بجانبها مرنانًا يعمل كميكروفون. عادةً، تُربط الشوكة الرنانة بالميكروفون عبر نابض مكثف: ينتقل الصوت، لكن الشوكة تبدأ بالاهتزاز بسبب الضوضاء الخارجية وقد تضطرب. في العمل الجديد، استُبدل النابض بنوع هجين: نابض عادي بالإضافة إلى تلامس فائق التوصيل يمرر الإشارة في اتجاه واحد فقط.

في العالم الكمومي، تستطيع الجسيمات المرور عبر الجدران — وهذا هو النفق الكمومي. إذا وُضع كاشف في مسار هذا العبور «الشبحي» مباشرة، فإن لحظة الرصد تعمل عمل مسدس البداية: يتلقى الجسيم دفعة قوية ويخرج من الحاجز بطاقة فائضة، ليتحول إلى محرك صغير. لا يحتاج الجهاز إلى بطاريات أو جهد خارجي، فالوقود هو الملاحظة نفسها.

طرف صغير من التنجستين بنصف قطر أقل من مئة نانومتر — المسرح المثالي لمشاهدة العرض الكمومي. بمجرد تطبيق حقل كهربائي بقوة بضعة فولتات لكل نانومتر، تبدأ الإلكترونات بالانطلاق من المعدن — يحدث الانبعاث الحقلي. يبدو أن هذه الظاهرة قديمة قدم ميكانيكا الكم نفسها، حيث تم التنبؤ بها عام 1928. لكن تحت طبقة الصيغ المستقرة تختبئ مفارقات لم تُحل بعد.