ضوء ملتوي

قفل باب بمفتاحين مختلفين: أحدهما يدور بسهولة، والآخر يتطلب جهدًا ملحوظًا. هكذا تتصرف طبقتان من نيتريد البورون السداسي عند تدويرهما بالنسبة لبعضهما. تتكون هذه المادة من ذرات البورون والنيتروجين مرتبة في شبكة سداسية، ويمكن لطبقاتها أن تستقر في أوضاع مختلفة، مثل شبكتين متطابقتين مزاحتين بزوايا مختلفة.

تندفع المرآة بسرعة تقارب أربعين ألف كيلومتر في الثانية، أي حوالي ثمن سرعة الضوء. الضوء الذي يسقط عليها يرتدّ عائدًا، لكنه لم يعد كما كان: يزداد تردده، تمامًا كما تكتسب الكرة المضروبة بمضرب أثناء طيرانها طاقة إضافية. هذه هي المرآة التي بناها العلماء داخل خيط زجاجي رفيع مملوء بالهيدروجين. أولًا، يُطلق نبض ليزر قوي داخل الخيط.

تنتشر حزمة الليزر العادية في خط مستقيم، تماماً مثل ضوء المصباح اليدوي. ومع ذلك، يمكن لفّ الضوء في شكل حلزوني يشبه خيط المِفكّة. وتحمل هذه الحزمة زخماً زاوياً مداريًا (OAM) – وهي خاصية لا يقتصر فيها الضوء على الإضاءة فحسب، بل يدير أيضاً كل ما يصادفه في طريقه. وقد وجّه الفيزيائيون هذا الضوء الملفوف إلى البلازما لتسريع الإلكترونات.

ينتشر شعاع الضوء عادة في خط مستقيم، ولكن يمكن جعله يدور حول محوره، مثل الماء الذي يتشكل في دوامة عند التصريف. هذا الضوء "الدوامي"، الذي يحمل زخمًا زاويًا مداريًا، قادر على نقل معلومات أكثر، وهو مطلوب للاتصالات فائقة السرعة والحوسبة الكمية. كانت المشكلة أن إنشاء مثل هذه الأشعة يتطلب عدسات ومرايا ضخمة وضبطًا دقيقًا، أي طاولة بصرية كاملة.

في المسرع الحلقي، يندفع حزمة الإلكترونات على مسار مغلق ملايين المرات. إذا كانت الإلكترونات ملتوية مثل خيوط الحبل، فإن حركتها الدوامية — الزخم الزاوي المداري — يجب أن تُحفظ. لكن في طريق الحزمة توجد صدمات عشوائية من مغناطيسات غير كاملة قد تدمر هذه البنية. وصف العلماء كيف تتغير الحركة الدوامية تحت تأثير هذه الاضطرابات — تذبذبات المجال المغناطيسي.

يمكن تخيّل شعاع الليزر كدوامة سريعة تلتقط الإلكترون المار للحظات. بينما يتحرك الجسيم عبر النبضة، يتعرض لفّه — دورانه الذاتي، المشابه لدوران قمة دوّارة صغيرة — لدفعة ضعيفة. بعد الخروج من الحزمة، لم تعد القمة الدوّارة تشير إلى الاتجاه السابق: لقد انحرفت قليلاً.

الإلكترون ليس مجرد جسيم نقطي. إنه سحابة احتمالية موزعة في الفضاء. عندما تصطدم هذه السحابة بنبضة ليزر قوية، يمكن أن تبعث فوتونًا عالي الطاقة – كم غاما. وهذا الفوتون قد لا يكون عاديًا، بل ملتفًا مثل البرغي، حاملًا زخمًا زاويًا مداريًا. كان يُعتقد سابقًا أن التفاف الفوتون يعتمد فقط على خصائص الليزر والجسيمات القادمة.

سلك الهاتف الملتوي بشدة ينقطع وينثر الشرر. هكذا تسلك الحقول المغناطيسية على الشمس: تلتف، تنقطع، وتتصل مجدداً، مغذية الانفجارات. رأى الفلكيون هذه العملية مباشرة لأول مرة. كانت إحدى الحلقات ملتوية بزاوية 540 درجة — دورة كاملة ونصف. هذا أقوى بثلاث مرات مما كان يُعتقد أنه ممكن.

على بُعد 460 سنة ضوئية منا، يدور حول النجم HD 135344B قرص كثيف من الغاز والغبار. إنه يشبه أسطوانة جرامافون عملاقة كسرها أحدهم: فالقرص تشقه فجوة، وعبرها يمتد خيط غباري كجسر رفيع. وبجوار هذا الخيط، في الضوء المبعثر، يظهر التفاف — انحناء في الذراع الحلزوني، وكأنه حُبس للحظة ثم أُطلق.

طبقتان رقيقتان للغاية، كل منهما بسماكة ذرة واحدة فقط، توضعان فوق بعضهما وتُلويان قليلًا. مثل ورقتين من ورق الكربون الملون: ما دامتا مستويتين، تكون الصورة واحدة، لكن بمجرد اللف يظهر نمط مواريه. هنا، النمط غير مرئي للعين، لكنه يغيّر تمامًا كيفية تعامل المادة مع الضوء.

شعاع مصباح يدوي ينزلق على زجاج غير مستوٍ. الزجاج هو تجمعات هائلة من المجرات، والمصباح هو ضوء قديم وُلد بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. عند مروره بالقرب من هذه التجمعات، لا ينحني الضوء حولها فحسب، مثل الماء حول الحجر. بل ينزاح مساره قليلاً إلى الجانب، ويعتمد مقدار الإزاحة على كيفية "التفاف" الضوء — يمينًا أو يسارًا. هذا يشبه كرة القدم التي تنحرف في الهواء بسبب دورانها.

الضوء، مثل حبل هُزّ، يهتز في مستوى معيّن. كثيرًا ما يلجأ الفلكيون والمهندسون إلى تدوير الصورة باستخدام نظام من ثلاث مرايا يُعرف باسم "مرآة K"، لكن في هذه العملية ينعطف مستوى اهتزاز الضوء أيضًا دون قصد. وهذا يمثّل مشكلة للقياسات الدقيقة.

كرة صغيرة بحشوة حديدية تستقر على سطح، ويدور حولها مجال مغناطيسي. تبدأ الكرة بالتدحرج مثل عجلة، وعادةً تتحرك في اتجاه دوران المجال. لكنها أحيانًا تنعكس فجأة وتتدحرج في الاتجاه المعاكس — عكس اتجاه المجال.

عادةً ما يدفع الضوء الذرة في مسار مستقيم، مثل الريح التي تدفع الشراع. لكن إذا لُفَّ الشعاع على هيئة برغي، يتغير المشهد: قد تنحرف الذرة جانبًا، وكأن عجلة دوّارة علقت بها. في دراسة جديدة، حسب الفيزيائيون أن مثل هذا الفوتون الدوّار قادر على نقل دوره إلى الذرة بالكامل تقريبًا — حتى 100 بالمئة.

كومة من الورق: إذا كانت الأوراق مكدسة بدقة فوق بعضها، يمر الضوء عبرها بشكل متساوٍ. لكن بمجرد إدارة ورقة بضع درجات، يتغير المشهد. هذا ما تفعله الطبقات في بعض المواد تقريبًا: أدرها بالنسبة لبعضها البعض — فتتغير الخصائص، وأحيانًا بشكل جذري. التحليل الطيفي لا علاقة له بالأمر — أو بالأحرى، ليس هو الأسلوب المستخدم. بنى العلماء جهازًا أطلقوا عليه اسم المجهر الكمومي للّف.

ورقتان من الجرافين — غشاء كربوني بسماكة ذرة واحدة — دون تدوير تشبهان ميناءً مزدحمًا بالمياه الضحلة: أيونات الليثيوم إما أن تعلق في المياه الضحلة وإما أن تمر مسرعة دون توقف. لكن التدوير بزاوية 9.43° يشق ممرًا ملاحيًا مثاليًا. أيونات الليثيوم كالسفن ترسو بأمان عند 'أرصفة' الكربون وتقلع فورًا دون إبطاء.

بلورة سيلينيد البزموت (Bi₂Se₃) في حد ذاتها متناظرة، مثل شطيرة مرتّبة بدقة: اقلبها فلن يتغير شيء. ولكن بمجرد إمالة طبقة قليلاً بالنسبة للأخرى، ينكسر التناظر. تبدأ المادة في «الإحساس» من أي جهة يسقط الضوء، وتستجيب بتيار كهربائي. اختبر مؤلفو العمل ثلاث طرق لكسر التناظر: تدوير الطبقات بزاوية 21.78 درجة، إضافة عيب نقطي (إزالة ذرة سيلينيوم)، وتطبيق مجال كهربائي خارجي.

في طبقات ملتوية بزاوية معينة من تيلوريد الموليبدينوم، تتصرف الإلكترونات بشكل غير عادي: فهي يمكن أن تنقسم إلى أجزاء. هذا يشبه ما لو بدأ فجأة تقطيع فطيرة كاملة إلى شرائح متساوية تمامًا، رغم أن السكين في يد واحدة. في المواد العادية، شحنة الإلكترون غير قابلة للانقسام، لكن في هذه الطبقات عند التبريد الشديد تظهر حالات تنقسم فيها الشحنة إلى ثلاثة أجزاء.

كرة القدم التي تُركل بلفّة لا تطير في خط مستقيم، بل ينحني مسارها جانبًا. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف شعاع الضوء إذا تم تركيزه بشدة: يبدأ بدفع الذرة ليس فقط إلى الأمام، بل أيضًا إلى الجانب. الفيزيائيون قاسوا هذا الإزاحة على أيون كالسيوم مفرد محبوس في مصيدة ضوئية. كان الشعاع موجّهًا نحو الذرة مثل كشاف ضوئي على حبة رمل.

الموجة العادية في المغناطيس تشبه تموجات الماء: كلما كانت خطوة الموجة أقصر، زادت طاقتها. يسمي الفيزيائيون هذه الموجات ماغنونات. لكن في غشاء رقيق من غارنيت البزموت-الإيتريوم، أمكن إنشاء موجات بسلوك معاكس: طاقتها تنخفض مع تناقص طول الموجة. هذه هي مضادات الماغنونات. وُضع الغشاء في جهاز حيث يتناثر الضوء على موجات المغنطة.

لا ينتقل الضوء دائمًا في خط مستقيم. يمكن لفّ موجته على شكل حلزوني، مثل تيار ماء يخرج من خرطوم يُدار بسرعة. يُسمى هذا اللف بالزخم الزاوي المداري (orbital angular momentum)، ويمكن إخفاء المعلومات فيه: كل لفة تشبه قناة اتصال منفصلة. المشكلة أن التعرّف على هذه اللفّات كان يتطلب أجهزة ضخمة من العدسات والمرايا. قام المهندسون بتجميع كاشف ضوئي سيليكوني بحجم حبة صغيرة يقوم بهذا بنفسه.

ارمِ حصيات على طول صف متراص من الأعمدة: ترتد وتتناثر في رذاذ كثيف. ارمها بزاوية، فتتشتت. تفعل أشعة غاما في البلورة الشيء نفسه — تخلق سلسلة من الجسيمات تنتشر ما لم تصطف الصفوف الذرية للبلورة تمامًا. اصطفها ضمن سُمك شعرة، فتصبح السلسلة شعاعًا مركزًا. عندها تتفوق بلورة صغيرة على أخرى كبيرة. عُرفت هذه الخدعة المحاذاتية منذ سبعينيات القرن الماضي، لكنها استُبعدت لكونها شديدة الحساسية للتلسكوبات.

المادة المظلمة هي محيط غير مرئي، كما أظهرت أرصاد فيرا روبين، يمنع النجوم في المجرات من التشتت. يشتبه الفيزيائيون في أنه إذا كانت المادة المظلمة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها عند البرودة الكونية تتحول إلى وسط سائل عديم الاحتكاك - ما يُسمى بالـمُكَثَّف.

في المغناطيس العادي، تشير جميع اللفات المغزلية للإلكترونات (وهي «أسهم» مغناطيسية داخلية، اكتشفها العالم باولي) في اتجاه واحد. أما المغناطيسات المتناوبة، مثل MnTe، فهي أكثر تعقيداً: اتجاه هذه الأسهم يتناوب، كما تتماوج المياه عند إلقاء حجر. لكن هذا التموج ليس عادياً، فهو ناتج عن حركة الإلكترونات نفسها.