1908-1991 · فيزياء المادة المكثفة, نظرية الكم, الإلكترونيات
فيزيائي أمريكي، الوحيد الذي حصل على جائزتي نوبل في الفيزياء. الأولى عن اختراع الترانزستور (أساس الإلكترونيات الحديثة)، والثانية عن نظرية التوصيل الفائق (BCS). تشكل أعماله أساس العديد من الأجهزة الكمومية.
سيرة
وُلِد في ماديسون، ويسكونسن. درس في جامعة ويسكونسن، وحصل على الدكتوراه من برينستون. عمل في مختبرات بيل، ثم أستاذًا في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين. عضو في الأكاديمية الوطنية للعلوم. حائز على جائزة نوبل (1956، 1972).
اكتشافات رئيسية
نظرية BCS للتوصيل الفائق (1957) (بالتعاون مع كوبر و شريفر)
والتي تشرح الآلية الكمومية للتوصيل الفائق
تأثير الترانزستور (1947) مع براتين و شوكلي
الحالات السطحية في أشباه الموصلات
💡 كان باردين متواضعًا جدًا ويتجنب الشهرة؛ وعندما علم بجائزة نوبل الثانية، ذهب أولاً للعب الغولف.
اقتباس: "الأهم هو أن ندرك كم هو قليل ما نعرفه حقًا. فهذا يفتح الباب أمام الاكتشافات."
عادةً ما تفقد الموصلات الفائقة خصائصها في المجالات المغناطيسية القوية بسبب حد باولي. لكن بالنسبة لـ PdTe₂ الطبقي، يعتمد هذا الحد على السمك. عند تقليل السمك من 50 إلى 19 نانومتر، قفز المجال الحرج بمقدار 10 أضعاف. السبب هو القيود الكمومية التي تجعل الإلكترونات تتفاعل بشكل مختلف مع المجال.
تتجمد المياه الساخنة أسرع من الباردة — هذا هو تأثير ميمبا. في العالم الكمومي، نظيره: نظام يعاني من اختلال كبير في النظام يستعيد نظامه بشكل أسرع. ولأول مرة، تحكّم العلماء بهذا على شريحة فائقة التوصيل، عبر تشغيل وإيقاف «شدّ» الاضطراب المتسارع. وهذا سيساعد الحواسيب الكمومية على الاستعداد للحسابات بسرعة
أثبت العلماء بدقة أن الحالات الخاصة في الموصلات الفائقة ليست جسيمات غامضة مطابقة لجسيماتها المضادة، بل مجرد تجمعات إلكترونية عادية ذات شحنة. وهذا يلغي فكرة استخدامها في الحوسبة الكمومية الموثوقة عبر 'الضفر'. والآن قد يضطر الفيزيائيون إلى إعادة النظر في نظرية الموصلية الفائقة نفسها.
في ساندويتش نانوي من الفاناديوم وأكسيد المغنيسيوم والحديد، تضخم الضجيج الكهربائي مئات المرات. السبب: الحديد المغناطيسي أصبح مؤقتاً موصلاً فائقاً - حيث نشأت فيه موصلية فائقة تتحرك فيها أزواج الإلكترونات بدوران متوازٍ. في السابق، كان هذا التأثير يتطلب موصلين فائقين، لكن هنا اكتفينا بواحد. هذا يعيد كتا
يُظهر الاكتشاف أن طرد المجال المغناطيسي، وهو السمة المميزة للموصلات الفائقة، يمكن أن يحدث في الموصلات العادية وحتى العوازل. في هذه المواد «الخيمرية» تتعايش خواص متناقضة. التجارب على شبكات المفاتيح فائقة التوصيل تبشّر بدروع مغناطيسية عملية.
قام الباحثون على الحاسوب الكمومي بنمذجة مادة ورأوا لأول مرة كيف تتشكل الأزواج الإلكترونية – تلك المسؤولة عن الموصلية الفائقة. في السابق، كان يتم رصدها بطرق غير مباشرة فقط. تثبت التجربة أن الأجهزة الكمومية تقرّبنا من موصلات فائقة تعمل دون تبريد.
ملف بحجم ذرة غبار، يمرر تيارًا بمقدار جزء من مليون من الأمبير، يغير تردد الرنان بمليار ذبذبة في الثانية. هذا التباين يحول الشريحة إلى أداة مثالية للحواسيب الكمومية والتحليل الطيفي المغناطيسي.
حول العلماء الكيوبتات الكمومية إلى صيادين للمادة المظلمة. فالجسيمات غير المرئية، عندما تلامس الإلكترونات داخل الكيوبت، تسبب ارتجافاً يشبه انقطاع نغمة على وتر. وقد أتاح تحليل هذا الارتجاف وضع حدود قياسية لخصائص المادة المظلمة.
وُضعت طبقة رقيقة من مادة فائقة التوصيل داخل تجويف يحبس الضوء غير المرئي. حتى بدون ضوء، تموجات طاقة الفراغ غيرت خصائص المادة: انخفض عدد أزواج الإلكترونات الحاملة للتيار بنسبة 13%، كما انخفضت الطاقة اللازمة لكسرها. يُظهر هذا النحت بالفراغ - هندسة المواد الكمومية من خلال تشكيل الفضاء المحيط بها.
تنشأ الموصلية الفائقة عندما تكون 'الطبقة الإلكترونية' في المعدن ناعمة جدًا بحيث تتحرك على شكل موجات وتدفع الإلكترونات. تنقسم جميع المعادن إلى ثلاث فئات حسب صلابة هذه الطبقة. يشرح نهج جديد لأول مرة لماذا لا يُوصّل الذهب والنحاس فائقة التوصيل، ويعد ببحث هادف عن المواد.
الذهب والفضة لا يُظهران موصلية فائقة — حتى يتم جعلهما أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان. التأثيرات الكمومية في طبقة ثنائية الأبعاد تُغيّر سلوك الإلكترونات: تظهر الحسابات أنه عند سُمك حوالي نصف نانومتر، تختفي المقاومة. في المستقبل، سيسمح ذلك بصنع إلكترونيات لا تسخن.
حوّل الكيوبت فائق التوصيل ومُعدِّل سريع الترددات إلى ما يشبه طوابقَ لفوتون واحد، مما أتاح له التجول عشوائيًا أو التذبذب أو التحرك للأمام فقط. هذه خطوة نحو محاكيات كمومية مدمجة.
إضافة البوزونات، وهي جسيمات اجتماعية بطبعها، تلصق الإلكترونات في أزواج أكثر تماسكًا، مما يسمح للموصلية الفائقة بالبقاء عند درجات حرارة أعلى. هذا التأثير واسع النطاق ويمكن اختباره باستخدام الذرات فائقة البرودة والمواد الطبقية.
أصبح الذكاء الاصطناعي بأسلوب الدردشة يتحكم الآن في الدوائر فائقة التوصيل، حيث يصمم وينفذ القياسات - بما فيها خدعة كمومية مشهورة. هذا يحول العتاد الكمومي المعقد إلى أداة بسهولة الهاتف الذكي، مسرّعاً وتيرة التقدم.
تتطلب الحواسيب الكمومية قراءة دقيقة للكيوبتات. الطريقة الجديدة تُنشئ إشارتين متطابقتين - الأصلية وصداها - وتجمعهما بإزاحة ذكية. تلغي الضوضاء بعضها بعضًا، وترتفع الدقة. حتى المضخمات غير المثالية تتعامل مع المهمة، مما يُسرّع قدوم الأجهزة الكمومية القوية.
ينحني الضوء حول الأجسام الهائلة - وهذا قانون من قوانين الجاذبية. وتأخذ طريقة جديدة في الحسبان أيضًا سُحب الهادرونات: جسيمات دقيقة تُبطئ الضوء وتزيد من انحنائه. وستُمكِّن صيغة بسيطة تعتمد على كثافة السحابة علماء الفلك من الحصول على صور أكثر وضوحًا للثقوب السوداء.
يستخدم المخطط الجديد تجويفًا ضوئيًا، حيث تنقل أزواج الفوتونات، كما لو كانت دفعات حادة، الطاقة فورًا إلى سلسلة من خلايا الكيوبت. وتكبح الروابط الكمومية داخل الخلايا التسرب، مما يجعل البطارية غير حساسة للتشويش والعيوب.
لا يمكن للمحركات الحرارية التقليدية أن تكون قوية وفائقة الكفاءة في آن معًا: فزيادة القدرة ترفع الفاقد. تصف دراسة جديدة محركًا كميًا على شريحة فائقة التوصيل، حيث تتزامن أنظمة كمومية عدة مثل اليراعات في الغابة، متجاوزةً المقايضة الكلاسيكية. هذا يفتح الباب أمام أجهزة كمومية موفرة للطاقة في المستقبل.