إلكترونيات فائقة السرعة

تسقط نبضة ليزرية على طبقة رقيقة من MoS₂، فيغلي في داخلها سحاب من الإلكترونات ذات طاقة زائدة. هذه الحاملات الساخنة تشبه عدّائين انطلقوا بسرعة عالية، لكن عليهم في طريقهم إلى خط النهاية أن يفقدوا كل اندفاعهم بسبب الاصطدامات مع الشبيكة البلورية.

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.

إلكترونان ينبعثان من طرف إبرة معدنية في نفس الوقت تقريبًا يبدآن بالتنافر، وهذا مظهر من مظاهر التنافر الكولومبي بين الشحنات المتشابهة. تشبيه: شخصان يحاولان الدخول من باب ضيق في نفس الوقت؛ كلما كانا أقرب إلى بعضهما، زاد إعاقة كل منهما للآخر. تمكن العلماء لأول مرة من قياس هذا التنافر بشكل كامل في ثلاثة أبعاد، باستخدام إبرة ذات طرف رفيع جدًا ونبضات ليزر فائقة القصر لإخراج الإلكترونات.

الكيوبت الكيوبت فائق الموصلية — العنصر الأساسي في المعالج الكمومي — يُشبه آلة موسيقية حساسة: ما لم تضبطها، لن تحصل على نغمة نقية. ولكن حتى بعد الضبط، يتغير الصوت. المسؤول عن تدهور الحالة الكمومية هي عيوب مجهرية في المادة، يعرفها الفيزيائيون باسم الأنظمة ذات المستويين (two-level systems). تتصرف هذه العيوب مثل شقوق غير مرئية تظهر وتختفي تلقائيًا، معطلة الإيقاع المتماسك للمعالج.

لعقود، علم الفلك الراديوي كان يصغي إلى الفضاء، أملاً في التقاط إشارات راديوية ضيقة النطاق — «الصوت» التقني لكواكب خارج المجموعة الشمسية بعيدة. لكن تطورنا التكنولوجي يكشف عن مفارقة: الإشارات التماثلية الصاخبة، مثل البث التلفزيوني في الستينات، ليست سوى صرخة قصيرة لحضارة وليدة.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

جسيم مشحون يندفع عبر مستشعر سيليكوني تاركًا خلفه أثرًا من الإلكترونات الحرة. الزمن الذي تستغرقه هذه الشحنة للتجمع على القطب يعتمد على مدى عمق ولادتها داخل بلورة السيليكون. الجسيم الذي يدخل عموديًا يرسم مسارات متطابقة في البكسلات المتجاورة، فتصل إشاراتها بشكل شبه متزامن.

يتأرجح البندول بدقة مذهلة، فلو كان يعدّ الثواني منذ الانفجار العظيم، لما أخطأ حتى اليوم سوى نصف ثانية. هذا هو استقرار الليزر فوق البنفسجي المحمول الجديد — قلب ساعات الألومنيوم الذرية. يعمل هذا الليزر كمسطرة فائقة الدقة لقياس تردد الانتقال الذري.

الليزر العادي يضيء بخطوط ضيقة، مثل وتر يصدر نغمة واحدة فقط. هذا غير مريح للتحليل الطيفي: إذا كانت المادة تمتص الضوء بين الخطوط، فقد لا نلاحظها. ليزر التيراهرتز الكمي المتتالي (quantum cascade laser) هو شريحة شبه موصلة بحجم الظفر، يصدر موجات بتردد من 1 إلى 6 تيراهرتز (تريليونات الاهتزازات في الثانية).

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

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.

سلك نحاسي تحت ضربة ليزر يشبه مطبخًا يشغّل فيه الطبّاخ الموقد وفي نفس الوقت يراقب ساعة الإيقاف. تبدأ ذرات النحاس بالرقص، فتفقد انتظام الشبكة البلورية، بينما تشعر الإلكترونات، مثل النادلين في القاعة، بالتغيير فورًا. ولكن ما مقدار الفوضى اللازم حتى يلاحظوا ذلك؟ يتبيّن أن بداية الانصهار كافية. أطلق العلماء نبضات ليزر مفردة بقوى مختلفة على أغشية نحاسية رقيقة.

ومضة الكاميرا العادية تتجمد في أجزاء من مئة من الثانية، لكنها بالنسبة للذرات أشبه بالخلود. فداخل الجزيئات، تقفز الإلكترونات خلال زمن يُقاس بالأتوثانية: أي أجزاء من مليار من مليار جزء من الثانية. ولتصوير مثل هذه الأحداث، نحتاج إلى نبضة ضوئية أقصر من الحدث نفسه. يأخذ الفيزيائيون حزمة إلكترونات في مسرّع خطي ويضغطونها بحيث تصبح الحزم المفردة أرقّ من الشعرة — من حيث الزمن.

يمكن للضوء أن يحمل المعلومات أسرع من أي إلكترونيات. لكن عادةً ما يكون بين الحاسوب والليزر محول رقمي-تناظري (digital-to-analog converter) — جهاز يحول الأصفار والواحدات إلى إشارات كهربائية. وهذا الجهاز هو ما يبطئ العملية برمتها. جهاز الإرسال الجديد يستغني عن هذا الوسيط. يمر شعاع الليزر عبر عدسة مسطحة بطور قابل للتحكم — صفيحة رقيقة تلوي موجات الضوء.

إبرة البوصلة المغناطيسية تدور ببطء، لكن داخل بعض المواد، يمكن للعزوم المغناطيسية الصغيرة أن تنقلب في أزمنة يصعب تصورها. قامت مجموعة من الفيزيائيين بحساب كيفية جعلها تغير اتجاهها في جزء من مليون من جزء من مليار من الثانية. وهذا أسرع من ومضة مصباح. على سبيل المثال، أخذوا مادة Mn3Sn — وهي معدن حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات مصفوفة ليس بشكل متوازٍ بل بزاوية، مشكلة نمطًا مثلثيًا معقدًا.

أحياناً تسلك الإلكترونات في البلورة سلوك الجمهور في الملعب الذي يصنع «موجة»: مناطق ذات كثافة أعلى تتناوب مع مناطق شبه خاوية. تسد هذه الموجة طريق الحركة الحرة للشحنات — فلا تكون المادة موصلاً فائقاً في الظروف العادية. لكن بمجرد تطبيق الضغط، تختفي الموجة وتبدأ الإلكترونات في الحركة دون فقدان.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

بلورة فائقة الرقة من ذرات التنجستن والكبريت تشبه موقف سيارات مثاليًا: كل الأماكن مشغولة، كل شيء منتظم. لكن أحيانًا تنقص ذرة واحدة — فتتكون حفرة-عيب. إذا دخل إكسيتون (زوج من إلكترون و«ثقب» ينقل طاقة الضوء) إلى هذه الحفرة، فقد يعلق ويُصدر ضوءًا بشكل مختلف عن المنطقة النقية. حتى الآن، كان يُرى هذا الالتقاط فقط من خلال علامات غير مباشرة: الإشارة من الإكسيتونات على العيوب كانت ضعيفة جدًا.

تمر الموجات الراديوية التي تتأرجح أقل من مرة واحدة في الثانية عبر الأرض والماء دون خسائر تذكر. تُستخدم هذه الإشارات للاتصال بالغواصات والبحث عن المعادن. لكن الهوائي العادي لهذه الموجات يحتاج إلى طول مئات الأمتار، وحساسيته تترك الكثير مما هو مرغوب فيه. اقترح الفيزيائيون استبدال الهوائي بسحابة من ذرات الروبيديوم في قارورة زجاجية.

شعاعا ليزر، مثل قلمي رصاص، يرسمان على الجدار مقياسًا غير مرئي. أحد الطرفين يتحرك أسرع قليلًا من الآخر، ومن خلال ملاحظة تداخل خطوطهما أو تباعدها يمكن حساب المسافة إلى الجدار بدقة تعادل سُمك خيط العنكبوت. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون هذين الشعاعين يعملان باستمرار دون توقف. عادةً، لتحقيق هذه الدقة، يجب تثبيت الليزر — كما لو كنت تمسك القلمين بأيدٍ ثابتة تمامًا.

تضرب ومضة ليزر طبقة فضة بسماكة ذرة واحدة موضوعة على جرافين ثنائي الطبقة — وفي أجزاء من الكوادريليون من الثانية تنفتح فجوة في البنية الإلكترونية للجرافين لم تكن موجودة من قبل. الأمر كما لو أن سلكًا عاديًا يتحول للحظات إلى شبه موصل: تتوقف الإلكترونات عن التدفق بحرية وتظهر فجوة نطاق. السبب هو انتقال الشحنة بين الطبقتين.

الكاميرا التي لا تلتقط الضوء بل تيارًا من الإلكترونات المنعكسة عن بلورة هي كاشف بكسل هجين (hybrid pixel detector). إنه قادر على عد كل إلكترون يصطدم به، دون إحداث ضوضاء خاصة به تقريبًا. في الوضع العادي، عندما يتدفق شعاع الإلكترونات بشكل مستمر، يعمل الكاشف بشكل ممتاز.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.

الحشية المطاطية العادية تخمد الاهتزاز مثلما تخفف البطانية السميكة الصوت: كلما كانت أكثر سماكة ووزنًا، كان ذلك أفضل. لطالما حلم المهندسون بمادة تكون خفيفة، لكنها في الوقت نفسه "تبتلع" الاهتزازات بما لا يقل عن مخمد ضخم. في العمل الجديد، تمكنوا من تجميع مثل هذه المادة من جزأين مختلفين: شبكة مرنة ناعمة مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقطرات صغيرة من معدن سائل مخبأة بداخلها.

أكسيد الفاناديوم مادة يمكن أن تكون عازلًا لا يوصل التيار، أو موصلًا مثل المعدن. يستغرق التبدّل أجزاء من تريليونات الثانية، ويراد بناء أجهزة إلكترونية فائقة السرعة على هذا الأساس. لكن كيف يحدث ذلك بالضبط ظلّ لغزًا طويلًا. استخدم العلماء مجهرًا إلكترونيًا فائق السرعة يلتقط صورًا كل بضع بيكو ثوانٍ (البيكو ثانية هي جزء من تريليون من الثانية).

المغناطيس المثبت على الثلاجة يعتمد على إبر داخلية صغيرة جدًا، كل منها يشبه بوصلة مصغرة. إذا ضربنا المعدن بومضة ضوء قصيرة جدًا، تبدأ هذه الإبر في التحرك بشكل عشوائي، وتختفي المغناطيسية خلال جزء من مليون من مليار جزء من الثانية. في السابق، كان هذا "الاختفاء" أسرع من أن يُرى. الآن ظهرت أشعة ليزر سينية تُطلق ومضات أقصر من الزمن الذي يستغرقه خطوة واحدة للذرة.

مقياس حاسوب كمومي يشبه نسج شبكة من الضوء: كل خيط يرتجف من أنفاس الحرارة، مهددًا بتمزيق النمط الذي بالكاد يتشكل. لقد تنبأ ريتشارد فاينمان وديفيد دويتش بأن الفوتونات هي كيوبتات مثالية، لكنها بحاجة إلى مسرح: دارة قابلة للبرمجة تتلاعب بعشرات الأنماط.